Oncogenic Fusionsproteine & Epigenome: gemeinsame Komplizen?

Signifikanz: Krebs ist die häufigste krankheitsbedingte Todesursache bei Kindern in der westlichen Welt. Durch therapeutische Fortschritte hat sich die Überlebensrate für einige pädiatrischen Krebsarten auf bis zu 80% erhöht. Allerdings profitieren nicht alle Patienten von dieser Entwicklung, und für einige Tumortypen - einschließlich des Ewing-Sarkoms - sind die Überlebensraten weiterhin deutlich zu gering. Die Entdeckung epigenetischer Aberrationen in pädiatrischen Krebsarten (u.a. Defekte in der DNA-Methylierung und in Histon-Modifikationen des Chromatins) legt einen vielversprechenden neuen Therapieansatz nahe. Im Gegensatz zu genetischen Defekten können epigenetische Aberrationen durch medikamentöse Behandlung rückgängig gemacht werden. Derartige Medikamente werden bereits in der Krebstherapie von älteren Menschen eingesetzt. Wenn epigenetische Defekte tatsächlich einen substantiellen Beitrag zur Entwicklung von pädiatrischen Krebserkrankungen leisten, dann erscheint ein Einsatz epigenetischer Medikamente bei krebserkrankten Kindern vielversprechend. Ziel: Das Projekt erforscht epigenetische Defekte mit Relevanz für das Ewing-Sarkom, einem aggressiven pädiatrischen Knochentumor mit recht limitierten Behandlungsmöglichkeiten. Das Ewing-Sarkom wird durch das onkogene Fusionsprotein EWS/FLI1 ausgelöst und ist daher ein geeignetes Modell zur Analyse der Interaktion zwischen Fusionsproteinen und der epigenetischen Regulation des Genoms. Innovation: Zur Untersuchung der durch EWS/FLI1 koordinierten regulatorischen Netzwerke wird ein in vivo Transplantations-Assay in der Maus verwendet. Der in vivo Ansatz bietet einen großen Fortschritt gegenüber in vitro Krebszelllinien, welche die Komplexität der Tumorentwicklung nur unzureichend widerspiegeln. Dieser Assay wird Einblicke ermöglichen in die Kette regulatorischer Ereignissen, die zur Tumorentwicklung führen. Des Weiteren könnte sich das vorgeschlagene Modell als leistungsfähiges Instrument für die präklinische Untersuchung epigenetischer Medikamente erweisen. Herangehensweise: Ziel 1: Entwicklung eines flexiblen und transparenten Assays für EWS/FLI1-induzierte Transformation. Da mesenchymale Stammzellen (MSCs) als Ausgangszellen des Ewing Sarkom gelten, wird ein in vivo Transplantations-Assay auf Basis von EWS/FLI1-exprimierenden MSCs entwickelt, der eine Tumor-Bildung induziert. Dieses Mausmodell wird durch in vitro Assays mit primären humanen und Maus-MSCs ergänzt. Ziel 2: Identifikation epigenetischer Defekte, die mit EWS/FLI1-induzierter Transformation assoziiert sind. Die epigenomische Kartierung von EWS/FLI1-induzierten Tumoren wird mit Gen-Expressionsanalysen und EWS/FLI1-Bindungsanalysen kombiniert werden. Eine integrative bioinformatische Analyse des resultierenden Datensatzes wird Kandidaten für tumorrelevante epigenetische Defekte identifizieren. Ziel 3: Funktionale Charakterisierung epigenetischer Defekte, die zur EWS/FLI1-induzierten Transformation beitragen. Die funktionelle Charakterisierung von potentiell kausalen epigenetischen Defekten erfolgt durch Ausschaltung und Überexpression epigenetischer Regulatoren in vitro. Die klinische Relevanz der erzielten Ereignisse wird durch epigenetische Analysen humaner Tumorproben und die Behandlung des in vivo Mausmodells mit epigenetischen Medikamenten validiert werden. Ausrichtung auf das Lise-Meitner Programm des FWF: Dieses Projekt erfüllt alle drei Kriterien des Lise- Meitner-Programms: (i) Es ermöglicht einem an herausragenden internationalen Instituten ausgebildeten Wissenschaftler, ein Forschungsprojekt in einem von Österreichs führenden Krebsforschungszentren unter Nutzung der Expertise kooperierender Labors durchzuführen. (ii) Ein bislang in Österreich nicht beforschtes Wissenschaftsgebiet wird etabliert werden. (iii) Es wird in diesem Projekt eine neue Kooperation zwischen dem gastgebenden österreichischen Forschungseinrichtung und einem renommierten internationalen Forschungsinstitut aufgebaut werden.

Pädiatrische Krebserkrankungen haben eine niedrige Rate somatischer Mutationen im Vergleich zu den meisten Tumoren im Erwachsenenalter, was darauf hindeutet, dass andere Mechanismen als die schrittweise Anhäufung von genetischen Veränderungen ursächlich an der Krankheitsentstehung beteiligt sind. Diese Studie untersuchte daher, ob epigenetische Aberrationen im Ewing Sarkom, einer seltenen pädiatrischen Tumorerkrankung der Knochen mit wenig zufriedenstellendem Behandlungserfolg (60% Langzeitüberleben) relevant sind. Der Begriff Epigenetik definiert einen Mechanismus der Genregulation ohne direkte Veränderung der DNA-Sequenz. Epigenetische Markierungen, wie beispielsweise DNA- Methylierung und Histon-Modifikationen beeinflussen die Struktur der Nukleosomenpakete im Zellkern und regulieren damit die Genexpression über zahlreiche Zellteilungen hinweg. Ein Hauptregulator bei der Entstehung des Ewing-Sarkoms ist das onkogene Fusionsprotein EWS-FLI1. Es kann als Modellsystem zur Identifizierung von epigenetischen Schlüsselereignissen, die für die Tumorprogression entscheidend sind, herangezogen werden. In diesem Projekt habe ich eine erste umfassende epigenomische Referenzdatenbank eines soliden pädiatrischen Tumors etabliert, der durch ein onkogenes Fusionsprotein induziert wird. Ich entdeckte einerseits, dass EWS-FLI1 mit dem Epigenom dynamisch interagiert und identifizierte andererseits jene Chromatin-Komplexe, die durch EWS-FLI1 reguliert werden. Zusammenfassend tragen die von mir produzierten Daten dazu bei, unser Verständnis der Synergie zwischen genetischen und epigenetischen Mechanismen in einem durch ein Fusionsprotein getriebenen Tumor zu verbessern, was den potenziellen Wert epigenetisch wirksamer Medikamente für das Ewing-Sarkom und andere pädiatrische solide Tumoren unterstreicht.