Studien tauchen tief in die Proteinmaschinerie von Krebszellen ein

Ein „Interaktom“ von Protein-Protein-Interaktionen, das in zwei Kopf-Hals-Krebszelllinien und einer normalen Zelllinie nachgewiesen wurde.

Kredit: Aus der Wissenschaft. 1. Oktober 2021. doi: 10.1126/science.abf2911. Nachdruck mit Genehmigung von AAAS.

Proteine werden oft als Arbeitspferde der Zellen bezeichnet, die Maschinen, die Zellen zum Laufen bringen. Sie fungieren als Schlüsselakteure bei den vielen chemischen Reaktionen, die ständig in Zellen stattfinden, sammeln Zellmüll, sorgen für Struktur, reparieren beschädigte DNA und vieles mehr. Aber einzelne Proteine wirken selten alleine. Stattdessen verbinden sie sich wie molekulare LEGO-Steine mit anderen Proteinen in präzisen Konfigurationen, um ihre Aufgaben zu erfüllen.

Jetzt hat ein Forscherteam fortschrittliche Technologien und Computertechniken verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen Proteinen zu identifizieren, die sich häufig in Kopf-Hals- und Brustkrebszellen bilden. Sie erstellten auch eine Karte, wie die interagierenden Proteine – auch Proteinkomplexe genannt – in wichtigen Kommunikationsnetzwerken oder Signalwegen in diesen Zellen funktionieren.

Drei Studien, die die ersten Ergebnisse dieser Arbeit beschreiben, wurden am 30. September in Science veröffentlicht .

In einer der Studien ermöglichte die Kartierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen auf diese Weise die Identifizierung einer potenziell wirksamen Behandlung für Menschen mit Kopf-Hals-Krebs, deren Tumore spezifische Mutationen in einem Gen namens PIK3CA aufweisen .

Aber im Gegensatz zu den meisten zielgerichteten Therapien blockiert das Medikament nicht die veränderten PIK3CA-Proteine in Krebszellen, die Mutationen im PIK3CA- Gen aufweisen. Vielmehr blockiert das Medikament die Wirkung eines anderen Proteins in der Zelle, das HER3 genannt wird.

Die vom Team erstellte Pfadkarte zeigte eine starke Wechselwirkung zwischen den mutierten PIK3CA-Proteinen – die Teil eines größeren Proteinkomplexes namens PI3K sind – und HER3-Proteinen. Die Störung von HER3, so zeigten die Forscher, bietet eine Hintertür, um auf die krebsfördernden Wirkungen der mutierten PIK3CA abzuzielen.

Diese Entdeckung und wichtige Erkenntnisse aus den anderen beiden Studien liefern einige der ersten echten Demonstrationen des Potenzials der systematischen Kartierung von Proteinkommunikationswegen in Krebszellen, sagte einer der Studienleiter, Nevan Krogan, Ph.D., Direktor des Quantitative Biosciences Institute der University of California, San Francisco (UCSF).

Die Bemühungen bauen auf den vielen Studien auf, die Krebsgenome kartiert haben, und adressieren gleichzeitig einige der Unzulänglichkeiten genzentrischer Ansätze zur Erforschung der Biologie von Krebs, sagte Dr. Krogan.

„Wir brauchen einen Ansatz, der die Komplexität [von Krebs] angeht. Also müssen wir zu diesem nächsten Schritt gehen“, erklärte er. Dieser nächste Schritt „ist die funktionelle Einheit der Zelle: Proteine“.

Die Studien sind Teil einer größeren, vom NCI unterstützten Forschungsinitiative von Forschern der UCSF und der University of California San Diego (UCSD), um Proteinnetzwerke in Krebszellen umfassend zu kartieren. Die Forscher glauben, dass diese Karten neue Wege für das Verständnis und die Behandlung von Krebs eröffnen werden.

Im Kern sollen die Kartierungsbemühungen „eine übergeordnete Sicht auf Krebsprozesse“ bieten, sagte Shannon Hughes, Ph.D., von der NCI- Abteilung für Krebsbiologie . „Es geht nicht nur um ein Gen oder ein Protein, sondern darum, wie [Gene und Proteine] in einem System agieren.“

Diese Forschungsrichtung kann wichtige neue Einblicke in die Biologie von Krebs liefern, hat aber auch das Potenzial, die Krebsbehandlung zu beeinflussen, erklärte Dr. Hughes. "Es erweitert die potenziellen Ziele für die Behandlung", sagte sie. „Und wenn Sie diese breitere Sichtweise berücksichtigen, können Sie mehr Patienten identifizieren, die Kandidaten für diese Behandlungen sein könnten.“

Von genetischen Mutationen zu Pathways

Menschen mit Krebs werden zunehmend aufgrund der genetischen Veränderungen in ihren Tumoren behandelt. Zum Beispiel sind mehrere Medikamente zur Behandlung von Brustkrebs- und Leukämiepatientinnen zugelassen, deren Krebsarten Mutationen in Genen aufweisen, die die Baupläne für die Proteine liefern, die Teil des PI3K-Komplexes sind.

Eine ständig wachsende Sammlung zielgerichteter Krebstherapien blockiert die Wirkung von Proteinen, die als Folge von Mutationen in Genen wie EGFR , HER2 , BRAF und vielen anderen produziert werden. Aber mit wenigen Ausnahmen wirken die meisten dieser Behandlungen nur bei einem bescheidenen Teil der Patienten, deren Tumore dieses Ziel exprimieren. Oder schrumpfen oder stabilisieren sie die Tumore zunächst, werden die Krebsarten in vielen Fällen resistent gegen die Behandlung und beginnen wieder zu wachsen.

Forscher glauben, dass ein Grund dafür, dass diese Behandlungen nicht wirken oder aufhören zu wirken, darin besteht, dass bestimmte Veränderungen in krebsbezogenen Genen – selbst diejenigen, die Studien gezeigt haben, die Hauptursachen für eine bestimmte Krebserkrankung sind – nicht das vollständige Bild davon wiedergeben, wie diese Mutationen sind die Proteinmaschinerie einer Zelle beeinflussen, erklärte der Co-Leiter der Studie, Trey Ideker, Ph.D., Professor an den UCSD-Abteilungen für Medizin, Bioingenieurwesen und Informatik.

Obwohl es einen enormen Wert hatte, ist der traditionellere genzentrische Ansatz zur Erforschung von Krebs „wie ein Blick auf die Schrauben und Muttern eines Automotors“, sagte Dr. Ideker. „Wir müssen uns jetzt die größeren Maschinen [der Zelle] ansehen.“

Der Grundstein für diesen größeren Ansatz sei bereits gelegt, schreiben Ran Chang, Ph.D., und Peter Jackson, Ph.D., von der Stanford University School of Medicine in einem Leitartikel in Science , der die drei Studien begleitete.

„Für viele Krebsarten gibt es einen umfangreichen Katalog genetischer Mutationen“, schrieben sie. „Aber eine konsolidierte Karte, die diese Mutationen in Wege organisiert, die das Tumorwachstum antreiben, fehlt.“

Mit der Finanzierung durch das Cancer Systems Biology Consortium des NCI ist diese konsolidierte Karte genau das, was die UCSF- und UCSD-Forscher mit ihrer Cancer Cell Map-Initiative zu erstellen hoffen.

Ein Dreh- und Angelpunkt ihrer Forschung ist eine Technologie namens Affinitätsreinigung – Massenspektrometrie, mit der sie Protein-Protein-Wechselwirkungen identifizieren, die bekannte krebsbezogene Proteine umfassen. In akribischer Weise analysieren die Forscher systematisch Mutationen in Genen und deren Auswirkungen auf die Protein Protein – Wechselwirkungen in Zellen und fortschrittliche Berechnungsmethoden verwenden , um die resultierenden Daten zu analysieren und die Netzwerkkarten zu generieren.

Diese Karten, sagte Dr. Hughes, "bringen uns nahe, zu jeder Zeit zu wissen, was in einer Zelle passiert."

Andere Studien haben Netzwerkkarten erstellt, bemerkte Dr. Krogan, aber ihr Umfang war viel eingeschränkter.

„Niemand hat es in dieser Größenordnung geschafft“, betonte er. Die Integration von Genomik , Proteomik und Biochemie mit Massenspektrometrie-Analysen und fortschrittlichen Computerwerkzeugen, fügte er hinzu, „macht dies meiner Meinung nach zu einem Flaggschiff von Studien.“

Entdeckung wiederkehrender Mutationen in Proteinen, die Teil von Kollagen sind , einem Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix oder ECM.

Die ECM bietet ein Gerüst für Ansammlungen von Zellen im Körper, einschließlich Tumoren. Die wiederkehrenden Mutationen in diesen Kollagenkomplexen, schrieben die Forscher, „unterbrachen die extrazelluläre Matrix“ in Tumoren und „begünstigten dadurch die Proliferation“ von Krebszellen. Bei Mäusen berichteten sie, dass sich Tumore eher im Körper ausbreiteten, wenn dieselben mutierten Kollagenproteine vorhanden waren.

Eine gemütliche Beziehung zu HER3

In der Kopf-Hals-Krebsstudie identifizierten die Forscher zunächst Gene, die in früheren Studien gezeigt haben, dass sie bei der häufigsten Form von Kopf-Hals- Karzinomen, dem sogenannten Plattenepithelkarzinom, häufig mutiert sind. Besonderes Augenmerk legten sie auf PIK3CA, da es das am häufigsten mutierte Gen bei dieser Art von Kopf-Hals-Krebs ist.

Sie analysierten zwei Zelllinien von Kopf-Hals-Krebs und eine Zelllinie aus gesunden Zellen der oberen Speiseröhre . Insgesamt identifizierten sie 771 Protein Protein – Wechselwirkungen im Zusammenhang mit diesen Krebs-Genen in den Kopf- und Halskrebszellen und gesunden Zellen. Fast 85 % der Interaktionen wurden nie gemeldet.

In Krebszellen mit der am häufigsten mutierten Form von PIK3CA interagierten die resultierenden PIK3CA-Proteine „bevorzugt“ mit HER3, berichteten sie.

Wie HER2, das das Ziel mehrerer Medikamente ist, die heute häufig zur Behandlung von Brustkrebs eingesetzt werden, ist HER3 ein Rezeptor , der sich über die Zelloberfläche erstreckt und mit Molekülen innerhalb und außerhalb der Zelle interagiert. Eine enge Bindung zwischen HER3 und PIK3CA wurde in Zellen mit normalem PIK3CA-Protein oder mit verschiedenen mutierten Formen von PIK3CA nicht gefunden.

Als die Forscher ein experimentelles HER3-blockierendes Medikament an Mäusen testeten, denen Kopf-Hals-Krebszellen mit dieser spezifischen PI3KCA- Mutation injiziert wurden, wuchsen keine Tumore. Wenn sie Zellen mit einer anderen PI3KCA- Mutation verwendeten, hatte der HER3-Blocker keine Wirkung auf das Tumorwachstum.

Es wäre extrem schwierig gewesen, diese Entdeckung mit traditionelleren Ansätzen zu machen, sagte Dr. Krogan.

„Nur wenn man diese Art von Analyse systematisch und quantitativ durchführt, kann man diese Interaktion zwischen diesen beiden Proteinen sehen“, sagte er.

Wege vorantreiben

Basierend auf früheren Studien, die HER3 bei Kopf-Hals-Karzinomen mit positivem Human-Papillomavirus (HPV) implizieren, wird der in der Kopf-Hals-Studie verwendete HER3-Inhibitor bereits in kleinen klinischen Studien an Patienten mit diesen Krebsarten getestet. Das Studienteam glaubt jedoch, dass diese neuen Erkenntnisse dazu beitragen können, Menschen zu identifizieren, deren Tumore nach einer Behandlung mit HER3-Inhibitoren am wahrscheinlichsten schrumpfen.

Es gibt ein starkes Interesse unter Forschern, die „besondere Achse“ der HER3- und PIK3CA-Interaktionen ins Visier zu nehmen, sagte Dr. Krogan. Ungefähr 5% aller Krebsarten weisen die spezifische PIK3CA- Mutation auf, die in der Studie als anfällig für die Blockierung von HER3 gezeigt wurde, sagte er.

Es ist also nicht nur Kopf-Hals-Krebs, "es sind viele andere", sagte er.

Aus einer breiteren Perspektive sind weitere Forschungen erforderlich, „um die funktionellen Karten weiter zu verbessern und genauer zu definieren, welche [Protein-Protein]-Wechselwirkungen in jedem Tumor neu verdrahtet werden“, sagt Dr. Chang und Jackson schrieben in ihrem Kommentar.

Das werde zu einer Erweiterung des Forschungsumfangs führen, betonten sie.

Wenn Proteine miteinander interagieren, sind die resultierenden Komplexe „keine statischen Strukturen, sondern bauen sich dynamisch als Reaktion auf den Zustand der Zelle wieder zusammen“, erklärten sie. Daher ist es hilfreich, die Auswirkungen anderer Faktoren, die sich auf Zellen auswirken können, auf diese Wechselwirkungen zu verstehen, schrieben sie, wie zum Beispiel Dinge, die in und um den Tumor (bekannt als seine Mikroumgebung ) passieren, einschließlich Entzündungen und das Vorhandensein verschiedener Arten von Immunzellen .

Dr. Hughes stimmte zu, dass diese ersten Studien erst der Anfang sind. Längerfristig rechnet sie damit, dass die Entwicklung von Tests, die spezifische Wechselwirkungen in Tumorproben von Patienten erkennen, schwierig sein wird. Sie fuhr fort: „Wir werden die Karten, die durch diese Art von Studien erstellt wurden, verwenden, um die Behandlung zu lenken, indem wir die genomischen Daten von bereits gesammelten Tumoren interpretieren.“

In der Zwischenzeit sagte Dr. Ideker, er sei optimistisch, dass ihre Arbeit andere Gruppen ermutigen wird, diesen Ansatz zur Kartierung von Netzwerkpfaden zu verwenden, „und ihn für die gesamte Krebszellbiologie systematisch zu machen“.

Quelle: National Cancer Institute

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