Von der Stammzelle zum Gehirntumor: Eine genetische Analyse

Stammzellen haben die einzigartige Fähigkeit, sowohl Tochterzellen zu erzeugen, die Stammzellen bleiben, aber ebenso andere Zellen zu generieren die sich spezialisieren und Körperzellen ersetzen. Diese Eigenschaft macht Stammzellen zu einer idealen Ressource für die regenerative Medizin, heisst aber auch, dass die Balance zwischen diesen Zelltypen genau kontrolliert werden muss: Defekte Stammzellen, die nur noch Stammzellen erzeugen, vermehren den Stammzellpool unkontrolliert und es gibt Hinweise, dass solche Defekte zur Tumorentstehung führen können. Unser Projekt verwendet die Fruchtfliege Drosophila, um zu lernen, welche Mechanismen die Balance zwischen den verschiedenen Nachkommen von Stammzellen regulieren. Wir verwenden in unseren Experimenten die sogenannten Typ II Neuroblasten. Dies sind neuronale Stammzellen, die sich asymmetrisch teilen und dabei eine Tochterzelle erzeugen, die ein Neuroblast bleibt, während die andere eine intermediäre Vorläuferzelle (INP) wird. Diese teilt sich wiederum asymmetrisch, aber nun wird eine Zelle eine sogenannte Ganglienmutterzelle (GMC), welche sich nur noch einmal in zwei Nervenzellen teilt. Defekte in diesen Schritten führen zur Ausbildung eines Gehirntumors. Normalerweise sind im adulten Fliegengehirn alle Stammzellen in Nervenzellen differenziert und teilen sich nicht mehr. Diese Gehirntumore jedoch sind voll von Stammzellen, die sich aktiv teilen. In unserem Projekt verwenden wir Typ II Neuroblastsn als Modellsystem, um zu verstehen, wie normalerweise gutartige Stammzellen zu Tumorzellen mutieren und dadurch tödliche Krankheiten auslösen. In einem Vorläuferprojekt hatten wir 620 Gene identifiziert, die die verschiedenen Differenzierungsschritte in Neuroblasten kontrollieren. Wir haben ausserdem eine Methode entwickelt, die es uns erlaubt, reine Populationen von Stammzellen und Nervenzellen zu isolieren und alle Gene zu bestimmen, die in diesen Zelltypen aktiv sind. In diesem Projekt bauen wir auf diese früheren Ergebnisse auf und charakterisieren die interessantesten Gene aus unserem Vorläuferprojekt. Wir werden die neue Transkriptom-Analyse verwenden, um die vielen epigenetischen Regulatoren zu charakterisieren, die identifiziert wurden. Wir haben Hinweise, dass die kritischen Schritte bei der Tumorentstehung epigenetisch kontrolliert werden und wollen analysieren, wie der sogenannte SWI/SNF chromatin remodelling Komplex die Tumorentstehung verhindert. Drei Untereinheiten dieses Komplexes wurden in unserem Projekt identifiziert und dies deutet auf eine sehr kritische Funktion hin. Ferner werden wir ein Zellkultursystem aufbauen, das es uns erlaubt, den wichtigsten Signalweg in Typ II Neuroblasten, den Notch/Delta Signalweg, in Kultur zu untersuchen. Komplementär dazu werden wir die genauen Stadien der Tumorentstehung bestimmen und analysieren, wo genau die verschiedenen Tumorsuppressoren wirken. Zusammen werden uns diese Experimente wichtige Aufschlüsse darüber geben, wie normalerweise gutartige Stammzellen zu Tumorstammzellen mutieren und zur Ausbildung eines tödlichen Tumors führen.

In den vergangenen Jahren ist es zu einem Paradigmenwechsel in der Tumorforschung gekommen. Hat man früher geglaubt, ein Tumor sei lediglich eine Ansammlung von Zellen, die die Kontrolle über Wachstum und ihre Zellteilung verloren haben, so denkt man jetzt, dass einige Tumore Stammzellen enthalten, so wie andere normale Organe auch. Diese sogenannte Tumorstammzellhypothese besagt, dass alle Zellen eines Tumors aus diesen Stammzellen entstehen, und dass es dabei eine klare Hierarchie gibt, an deren Spitze die Tumorstammzellen stehen. Dies hat immense Bedeutung für die Tumortherapie, da jede erfolgreiche Therapie diese Tumorstammzellen erfassen muss, um zu vermeiden, dass sie den Tumor nach erfolgreicher Operation oder Chemotherapie wieder herstellen.Dieses Projekt ist die Fortsetzung einer Kollaboration mit Prof. Heinrich Reichert (Univ. Basel), in der die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellsystem verwendet wurde, um Tumorstammzellen zu analysieren und um festzustellen, wie sie entstehen, und was sie von normalen Stammzellen unterscheidet. Alle Nervenzellen im Gehirn einer erwachsenen Fliege entwickeln sich aus Stammzellen die man Neuroblasten nennt. Diese Neuroblasten bilden eine genau festgelegte Zahl an Nervenzellen aus, können sich aber auch selbst erneuern und weitere Neuroblasten erzeugen. Bilden sich zu viele Stammzellen, entstehen Tumore, die menschlichen Carcinomen überraschend ähnlich sind. Sie können in andere Fliegen transplantiert werden, wo sie unkontrolliert wachsen und schließlich zum Tod führen. Die hervorragenden genetischen Methoden, die in Drosophila zur Verfügung stehen, haben es uns erlaubt, die Mechanismen dieser Tumorentstehung in Fliegen zu untersuchen.Im Rahmen dieses Fortsetzungsprojektes konnten wir demonstrieren, dass der sogenannte SWI/SNF Komplex eine essentielle Rolle als Tumorsuppressor in Drosophila spielt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es in Abwesenheit dieses Komplexes zu einer Umkehr in der Stammzellhierarchie kommt Zellen, die eigentlich bereits als Nervenzellen bestimmt sind, verwandeln sich zurück in Stammzellen, was zur Tumorentstehung führt. In einer zweiten Arbeit haben wir den Mechanismus entdeckt, der Stammzellen an einem bestimmten Entwicklungsstadium entfernt. Wir konnten zeigen, dass eine entscheidende Änderung im Energiestoffwechsel dieser Zellen zu einer Entkopplung von Zellwachstum und Zellteilung führt die Stammzellen werden immer kleiner und verschwinden schließlich. Laufende Untersuchungen zur Konservierung dieser Prozesse in Säugetieren haben eine große Chance, Einblicke in die frühen Stadien der Tumorentstehung auch beim Menschen zu geben.