Fachthema

Epigenetische Biomarker bei Krebserkrankungen

Jatros, 27.12.2018

Autor:
Assoc. Prof. Priv.-Doz. Mag. Dr. Gerda Egger
Klinisches Institut für Pathologie
Medizinische Universität Wien und Ludwig Boltzmann Institut Applied Diagnostics
E-Mail: gerda.egger@meduniwien.ac.at

Onkologie | Pathologie

Die Organisation und die Regulation unseres Genoms unterliegen komplexen epigenetischen Mechanismen, welche die Identität und Funktion von Zellen bestimmen. Veränderungen in epigenetischen Prozessen treten in frühen Stadien von Tumorerkrankungen auf und sind kausal in Tumorentstehung und Progression involviert. Das Tumorepigenom stellt einen wichtigen Angriffspunkt für Krebstherapien dar und epigenetische Muster können mittels sensitiver Analysemethoden als Biomarker für unterschiedliche klinische Aspekte angewendet werden.

Epigenetische Mechanismen

Ein ungefähr 2m langer DNA-Faden wird in jeder Zelle unseres Körpers in einen 10μm großen Zellkern verpackt. Diese Herausforderung wird durch Aufwickeln der DNA auf sogenannte Nukleosomen bewerkstelligt, welche sowohl Kondensation als auch Zugänglichkeit der DNA bestimmen. Die Nukleosomen bestehen aus einem Oktamer aus 4 verschiedenen Histonproteinen (H2A, H2B, H3 und H4) und formen gemeinsam mit der DNA das Chromatin. Durch chemische Veränderungen der Histonproteine wie zum Beispiel Azetylierung, Methylierung oder Phosphorylierung wird das Chromatin entweder aufgelockert oder eng verpackt und bedingt somit die mögliche Expression von Genen. Eine Vielzahl solcher Histonmodifikationen wurde bereits beschrieben und ihr Zusammenspiel resultiert in einem Code, der von speziellen Leseproteinen erkannt wird und über Aktivität oder Repression der DNA entscheidet.1 Nebst Histonmodifikationen können auch sogenannte „Chromatin-Remodeler“ den Umbau der Nukleosomendichte veranlassen und wiederum die Zugänglichkeit der DNA verändern.
Des Weiteren spielt die chemische Modifikation der DNA mittels Methylierung eine essenzielle Rolle in der Regulation der Genexpression. Die Bindung einer Methylgruppe an die C-5-Position der Cytosinbase in der DNA bedingt das Stilllegen des betroffenen DNA-Abschnittes. Dies geschieht zumeist im CpG-Kontext, also wenn ein Cyotosin von einem Guanin gefolgt wird. Etwa 70–80% der genomischen CpGs sind methyliert. Die Ausnahme stellen sogenannte CpG-Inseln dar, welche einen hohen GC-Gehalt aufweisen, häufig in Promotoren von Genen zu finden sind und generell nicht methyliert vorliegen.
Einen weiteren wichtigen Bestandteil epigenetischer Mechanismen stellen nicht codierende RNAs dar, welche selbst nicht in Proteine abgelesen werden, aber in Form von microRNAs (miRNAs) oder langer nicht codierender RNAs (lncRNA) die Genexpression beeinflussen können. miRNAs wirken auf transkriptioneller/ posttranskriptioneller Ebene, während lncRNAs als Gerüst für Proteine fungieren können, welche Chromatinmodifikationen durchführen.
Die oben beschriebenen Prozesse sind eng verknüpft und bilden gemeinsam die Grundlage epigenetischer Regulation der zellulären DNA (Abb. 1).2

Epigenetische Veränderungen in Tumoren

Aus historischer Sicht wurden genetische Veränderungen der DNA (Mutationen, Translokationen, Deletionen, Amplifikationen) als Ursache für Tumorerkrankungen verantwortlich gemacht. In den letzten Jahrzehnten hat sich allerdings gezeigt, dass auch epigenetische Veränderungen essenziell zur Tumorentstehung und Progression beitragen. Der Begriff „Epigenetik“ beschreibt vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht durch Veränderungen in der DNA-Sequenz hervorgerufen werden. Obwohl das Epigenom generell stabil ist und von Zellgeneration zu Zellgeneration weitervererbt wird, können Umwelteinflüsse das Epigenom beeinflussen und verändern. Dies führt zu lokalen Veränderungen in DNAassoziierten Prozessen wie etwa Transkription, Reparatur und Replikation, während globale epigenetische Veränderungen genomische Instabilität hervorrufen.
Genomweite Mutationsanalysen einer Vielzahl von verschiedenen Tumoren haben gezeigt, dass epigenetische Regulatoren zu den am häufigsten mutierten Genen in Tumorerkrankungen zählen. So sind zum Beispiel Gene, die für DNA-Methylierung und -Demethylierung verantwortlich sind (DNMT3A, TET2), häufig in hämatologischen Erkrankungen wie dem myelodysplastischen Syndrom (MDS) oder der akuten myeloischen Leukämie (AML) betroffen.3, 4 Selbst Histonproteine können mutieren, wie etwa in Glioblastomen oder Sarkomen gezeigt wurde.5, 6 Metabolische Veränderungen von Tumorzellen führen zu veränderten Konzentrationen an Metaboliten, welche die Basis für epigenetische Modifikationen darstellen.7 Der vermehrte Glukosestoffwechsel von Tumorzellen führt zu einem höheren Angebot von Azetyl- CoA, einem wichtigen Substrat für die Azetylierung von Histonen und anderen Proteinen. S-Adenosyl-Methionin (SAM) stellt einen wichtigen Methylgruppendonator für DNA und Histonmethylierungsreaktionen dar und ist häufig in Tumorzellen verändert. Mutationen in den Genen IDH1 und IDH2 führen zur Produktion des onkogenen Metaboliten 2-Hydroxyglutarat (2HG), welcher zur Inhibierung von Histon- und DNA-Demethylasen führt. Die Inhibierung der DNA-Demethylierung resultiert in dem sogenannten CpG-Island- Methylator-Phänotyp (CIMP), wie in verschiedenen Tumorarten wie Glioblastomen, Cholangiokarzinomen oder AML beobachtet werden konnte.8–10 CIMP wurde ursprünglich in Kolonkarzinomen beschrieben, wo es eine Subgruppe mit klinischer Relevanz darstellt.11 CIMP-positive Tumoren haben eine bessere Prognose, sind häufig mit Mikrosatelliteninstabilität und BRAF-Mutationen assoziiert und eher im proximalen Kolon lokalisiert.12 Letztendlich stellt das methylierte Cytosin selbst einen wichtigen Angriffspunkt für genetische Mutationen dar; durch Deaminierung wird Methyl-Cytosin in Thymin umgewandelt und durch falsche oder fehlende Reparaturmechanismen kommt es zu einer CpG>TpG-Transition. Diese Veränderungen zählen zu den am häufigsten beobachteten Mutationen in Tumoren.13

Epigenetische Therapien und Biomarker

Da epigenetische Prozesse reversibel sind, stellen sie ein wichtiges Target für spezielle therapeutische Ansätze dar. Zu den bisher erfolgreichsten Therapien zählen DNMT- und HDAC-Inhibitoren wie zum Beispiel Decitabin und Vorinostat, welche für MDS oder T-Zell-Lymphome Anwendung finden. Vielversprechende präklinische Studien und das Interesse der Pharmaindustrie lassen auf schnelle weitere Entwicklungen hoffen.
Große Hoffnung wird auch in die Entwicklung epigenetischer Biomarker gesetzt. Vor allem tumorspezifische Veränderungen in der DNA-Methylierung sind sehr stabil und erlauben die Klassifizierung verschiedener Tumorentitäten.10, 14–17 So wurde etwa kürzlich eine auf DNA-Methylierung basierende Klassifikation von Tumoren des zentralen Nervensystems vorgeschlagen.18
Eine große Anzahl an Studien hat die Bedeutung von tumorspezifischen Methylierungsmarkern untersucht und zahlreiche Publikationen belegen den Nutzen dieser für Risikoeinschätzung, frühe Diagnose, Prognose und Prädiktion von Krebserkrankungen (Tab. 1).19 Vor allem der Nachweis tumorspezifischer Methylierung mittels nicht invasiver Diagnostik erscheint vielversprechend. Zirkulierende freie Tumor- DNA kann mittels sensitiver Methoden zum Beispiel in Blut, Urin, Sputum oder Stuhl nachgewiesen werden. Der erste von der FDA (Food and Drug Administration) zugelassene kommerzielle Kit Epi proColon® wurde als blutbasierter Screeningtest entwickelt und analysiert die DNA-Methylierung des SEPT9-Gens. Weitere vielversprechende Marker sind in klinischen Studien für Tumordiagnostik, Prognose oder Prädiktion.20 Die Menge an zirkulierender freier Tumor-DNA ist jedoch sehr gering und daher sind diese Tests für frühe Diagnostik oft nicht ausreichend sensitiv. Gewebe wie Blut, Urin, Mundhöhlen- oder Zervixabstriche zeigen spezifische epigenetische Muster, welche eine frühe Risikoabschätzung von Krebserkrankungen mithilfe von Surrogatmarkern erlauben.21
Obwohl anormale DNA-Methylierung vieler Gene in unterschiedlichsten Tumoren identifiziert wurde, sind bisher nur wenige Marker in der klinischen Anwendung oder in klinischen Studien angelangt. Grund dafür sind eine fehlende Standardisierung von Analysemethoden und das Fehlen von großen prospektiven klinischen Validierungsstudien. Vielversprechend erscheinen Multi-Panel-Tests, die sowohl Mutationen als auch epigenetische Veränderungen mehrerer Gene untersuchen.

Literatur: