From stem cell to brain tumor: a genetic analysis

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. Unser Projekt verwendet RNAi um die Gene zu finden, die diese verschiedenen Differenzierungsschritte kontrollieren. Dazu machen wir uns zu Nutze, dass Defekte in diesen Schritten zur Ausbildung eines Gehirntumors führen. Normalerweise sind im adulten Fliegengehirn alle Stammzellen in Nervenzellen differenziert. Diese Gehirntumore jedoch sind voll von Stammzellen, die sich aktiv teilen. Wir bringen nun ein Luziferase Gen unter die Kontrolle eines Stammzellpromotors. Luziferase hat die einzigartige Eigenschaft, in einer chemischen Reaktion Licht zu erzeugen, das sich mit einem Luminometer sehr einfach nachweisen lässt. Wir werden mit Hilfe der RNAi Bibliothek des Vienna Drosophila RNAi Centers (VDRC) 80% aller Drosophia Gene inhibieren und messen, bei welchen es zur Tumorausbildung kommt. Solcherart neu identifizierte Tumorsupressoren werden dann mit den in Drosophila üblichen zellbiologischen und genetischen Methoden weiter charakterisiert. Letztendlich werden wir die Maus- Homologen identifizieren und mit einer Methode namens "in utero electroporation" untersuchen. Dazu wird DNA in das Gehirn eines Mausembryos eingebracht und mit ihrer Hilfe ein transientes Abschalten des entsprechenden Gens erreicht. Mit dieser Methode haben wir bereits eine überraschende Konservierung des Drosophila Tumor Supressors Brat und seines Maus Homologen TRIM32 gezeigt. Beide Gene inhibieren die Teilung von Stammzellen und induzieren die Diffenrenzierung in Nervenzellen in überraschend ähnlicher Weise. Wir erwarten, dass diese Experimente zu neuen Einsichten in die Kontrolle der Stammzellteilung führen und uns Hinweise darauf liefern, wie aus einer normalen Stammzelle ein tödlicher Tumor entstehen kann.

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, aber sonst keiner Hierarchie unterliegen, so denkt man jetzt, dass zumindest einige Tumoren Stammzellen enthalten, so wie andere normale Organe auch. Diese sogenannte Tumorstammzell- Hypothese 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.In diesem Projekt wurde in Kollaboration mit Prof. Heinrich Reichert (Univ.Basel) die Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellsystem verwendet, 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. Für die Aufrechterhaltung einer konstanten Zahl an Stammzellen ist es wichtig, dass die Balance zwischen diesen zwei Zelltypen genau kontrolliert wird. Bilden sich zu viele Stammzellen, entstehen Tumore, die menschlichen Carcinomen in einer überraschenden Weise gleichen. Insbesondere können Teile dieser Tumore in andere Fliegen transplantiert werden, wo sie weiter unkontrolliert wachsen, bis sie die ganze Fliege ausfüllen 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.Als Teil dieses Projektes haben wir zunächst Methoden entwickelt, reine Populationen von Neuroblasten aus Fliegen zu isolieren. Mit dieser neuen Technologie ist es uns gelungen, eine komplette Liste aller Gene zu erstellen, die in den Neuroblasten eingeschaltet sind, aber abgeschaltet werden, wenn aus den Neuroblasten Nervenzellen werden. Wir konnten ein komplettes Netz an Regulatoren bestimmen, das Neuroblasten erlaubt, identische Kopien von sich selbst herzustellen. Dieses Netzwerk muss in Nervenzellen abgeschaltet werden, sonst kommt es zur Tumorentstehung. Desweiteren konnten wir einen Proteinkomplex charakterisieren, der SWI/SNF Komplex genannt wird und eine Schlüsselrolle in den Neuroblasten spielt. Wenn dieser Komplex durch Mutationen beeinträchtigt wird, verwandeln sich diejenigen Tochterzellen, die normalerweise Nervenzellen werden, zurück in Stammzellen und es kommt zur Tumorbildung. Den SWI/SNF Komplex gibt es beim Menschen auch und es stellt sich heraus, dass er der am häufigsten mutierte Proteinkomplex in menschlichen Tumoren ist. Unsere Experimente haben also dazu beigetragen, die Funktion dieses wichtigen Tumorsupressors besser zu verstehen.