Statine und Bisphosphonate sind epigenetisch aktive Medikamente

Epigenetik, ein sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet, trägt signifikant zum Verständnis der Entwicklung von Krankheiten bei. Dabei spielt die Methylierung von Cytosinen in Cytosin/Guanosin-Dinukleotiden (CpG) der DNA eine besondere Rolle. Änderungen des Methylierungsstatus haben einen weitreichenden Einfluss auf die Embryonalentwicklung, den Alterungsprozess, die Entwicklung chronischer Krankheiten und Tumoren. Unter epigenetischer DNA-Methylierung wird die Übertragung einer Methylgruppe vom S-Adenosylmethionin auf das Kohlenstoffatom an der Position 5 des Pyrimidinringes verstanden, was üblicherweise während der Replikation passiert. Wenn auch die Regulation und der Ablauf der DNA-Methylierung noch weitgehend ungeklärt sind, so gilt die Beteiligung des RAS-RAF-MAPK Signalübertragungsweges als sehr wahrscheinlich. Die Methylierung der Cytosine beeinflusst aber nicht nur die Gentranskription und damit den Phänotyp von Zellen und Geweben, sondern auch die Stabilität des Genoms, welche eine große Bedeutung für die Tumorentwicklung hat. Statine und Bisphosphonate zählen zu den meist verwendeten Medikamenten. Statine werden zur Behandlung von Erkrankungen des Lipidstoffwechsels verwendet, während Bisphosphonate für die Behandlung der Knochenbruchkrankheit entwickelt wurden. Wenn auch in unterschiedlichen Bereichen des Syntheseweges, so beeinflussen beide Medikamente die Synthese von Isoprenen, welche zur Verankerung der "small GTP-binding proteines" an der Zellmembran notwendig sind; nur dann kann eine ungestörte Funktion der Proteine erwartet werden. Die "small GTP-binding proteines", zu welchen RAS und RAF gezählt werden, sind zentrale Regulatoren der Zellvermehrung, der Zellfunktion, der Differenzierung und Apoptose. Weil aber Statine die gleichen zellulären Synthesewege beeinflussen wie die Bisphosphonate, könnten die Statine nicht nur den Lipidstoffwechsel verbessern, sondern auch den Knochenstoffwechsel begünstigen. Während aber der Nutzen der Bisphosphonate für den Knochen als gesichert gilt, wird die Bedeutung der Statine für den Knochenmetabolismus sehr kritisch diskutiert. Das Ziel des Projektes ist zu erforschen, ob die Bisphosphonate und Statine, welche wie erwähnt den RAS/RAF- Signalweg modulieren, den epigenetischen Status von Zellen beeinflussen. Um das zu erforschen werden wir Zellvermehrung und Apoptose mittels biochemischer Techniken untersuchen und die Differenzierung durch genomweite Genexpression analysieren. Wir gehen davon aus, dass die Unterbrechung der Signalübertragung durch die Medikamente die Expression von Genen des DNA-Methylierungsapparates vermindert. Das führt in der Folge zu Veränderungen des Methylierungszustandes der regulatorischen Bereiche von Genen. Wir erwarten eine Demethylierung der Promotoren des Apoptose fördernden FAS-Gens, des Regulators der Osteoblastendifferenzierung DLX5 und des kollagenquervernetzenden Proteins und Tumorsuppressors Lysyloxidase (LOX), sowie eine vermehrte Expression dieser Gene. Darüber hinaus lassen neueste Untersuchungen den Schluss zu, dass der Methylierungszustand einzelner CpGs für die Genregulation wichtig ist. Deshalb beabsichtigen wir den Einfluss der verschiedenen Medikamente auf das DNA-Methylierungmuster einzelner Nukleotide zu studieren. Ein Nachweis, dass die beiden Medikamente epigenetisch aktiv sind, hätte weitreichende Folgen. Einerseits würde dies zu einem neuen Verständnis der Wirkungsmechanismen der Medikamente führen und andererseits wird eine neue Risikobewertung notwendig werden, weil epigenetische Modifikationen Langzeiteffekte haben können. Dies ist besonders wichtig, da beide Medikamente über einen längeren Zeitraum verwendet werden. Dabei könnten in Geweben oft nur geringe epigenetische Veränderungen akkumulieren, welche zu signifikanten Änderungen der Genexpression führen und dadurch physiologische metabolische Prozesse verstärkt beeinflussen.

Epigenetik trägt signifikant zum Verständnis der Entwicklung von Krankheiten bei. Dabei spielt die Methylierung von Cytosinen in Cytosin/Guanosin-Dinukleotiden (CpG) der DNA eine besondere Rolle. Änderungen des Methylierungsstatus haben einen weitreichenden Einfluss auf die Embryonalentwicklung, den Alterungsprozess, die Entwicklung chronischer Krankheiten und Tumore. Unter epigenetischer DNA-Methylierung wird die Übertragung einer Methylgruppe vom S-Adenosylmethionin auf das Kohlenstoffatom an der Position 5 des Pyrimidinringes verstanden, was üblicherweise während der Replikation passiert. Statine und Bisphosphonate zählen zu den meist verwendeten Medikamenten. Statine werden zur Behandlung von Erkrankungen des Lipidstoffwechsels verwendet, während Bisphosphonate für die Behandlung der Knochenbruchkrankheit entwickelt wurden. Umfassende epidemiologische Studien zeigen aber auch, dass die beiden Medikamente eine unterstützende Wirkung auf die Behandlung und möglicherweise auch die Prävention von malignen Erkrankungen haben können, wenn auch die Wirksamkeit dieser Medikamente auf bestimmte Tumorarten beschränkt sein dürfte. Bei zahlreichen Krebserkrankungen findet man Mutationen oder Änderungen der Aktivität von "small GTP-binding proteins", zu welchen auch RAS und RAF gezählt werden, die als zentrale Regulatoren der Zellvermehrung, der Zellfunktion, der Differenzierung und Apoptose bekannt sind. Diese Proteine dürften auch eine Rolle bei der aberranten DNA-Methylierung von Promotoren von Tumorsuppressorgenen spielen, welche dadurch inaktiviert werden können. Im Rahmen des Projektes konnten wir zeigen, dass das Bisphosphonat Ibandronat in bestimmten Tumorzellen, aber nicht in normalen immortalisierten Osteoblasten Apoptose bewirkt, indem es durch Modulation von "small GTP-binding proteins" eine verminderte Expression von DNMT1 (DNA-(Cytosin-5-)-Methyl-Transferase 1) und damit eine Demethylierung der Promoter DNA des Proapoptosegens FAS verursacht. In der Folge konnten wir auch zeigen, dass auch das Statin Simvastatin neben der DNA-Methylierung auch andere epigenetische Prozesse, wie mikroRNAs und Histonmodifikationen beeinflusst. Das erklärt auch die Ergebnisse der Genom-weiten Expressions- und Methylierungsanalysen, die zeigen, dass die beiden Medikamente nicht nur für DNA-Demethylierungen sondern auch für de-novo Methylierungen verantwortlich zeichnen. In einer weiteren Studie konnten wir zeigen, dass Sulforaphan, ein Pflanzeninhaltsstoff von Brokkoli, aktive Demethylierungen der Promoter-DNA von Genen bewirkt und auf diese Weise das Wachstum und die Differenzierung von Knochenzellen modulieren kann. In vivo konnten wir zeigen, dass Sulforaphan eine günstige Wirkung auf die Knochenneubildung hat.Ergänzend zu den epigenetischen Studien konnten wir Ergebnisse eines abgeschlossenen FWF-Projektes ergänzen, welche zeigen dass das Akut-Phase-Protein Saa3 sowohl auf die Osteoblasten- als auch auf die Osteoklasten-Differenzierung wirkt, und dass dieses Protein wahrscheinlich bei der Koppelung von Knochenresorption und Knochenneubildung eine Rolle spielt.