Die Rolle von PIAS1 in der Effektivität der Strahlentherapie

Prostata- und Brustkrebs sind bei Männern und Frauen die häufigsten Tumorarten und mit unter den führenden tumorbedingten Todesursachen. Neben einer operativen Entfernung oder anti-hormonellen Therapieformen, wird für beide Krebsarten sehr häufig die Strahlentherapie angewandt. Radiotherapie zielt darauf ab, DNA Schäden in den Tumorzellen zu verursachen, welche dann zum Zelltod führen. Leider ist der Erfolg dieser Therapie durch das Auftreten von Resistenzen begrenzt. Oftmals ist eine verstärkte DNA Reparatur für diese Unempfindlichkeit gegen Bestrahlung verantwortlich. Aus diesem Grund sind neue, kombinierte therapeutische Strategien, welche den Tumor auf mehrfache Weise angreifen oder empfindlicher gegen Standardtherapien machen, einer einfachen Behandlung vorzuziehen. PIAS Proteine fungieren einerseits als transkriptionelle Co-Regulatoren, andererseits als SUMO-E3-Ligasen. Interessanterweise sind PIAS Proteine in Mechanismen involviert, welche für die erfolgreiche Reparatur von DNA Schäden verantwortlich sind. In Vorstudien konnte die Antragstellerin zeigen, dass die PIAS1 Expression in Prostatatumoren mit deren Bösartigkeit steigt und dass PIAS1 die Zellproliferation über die Hemmung von p21 fördert. PIAS1 knockdown führt hingegen zu einem Zellzyklusarest durch p21 Induktion und in Folge zur Proliferationshemmung. Aktuelle Experimente deuten auf eine ähnliche Rolle von PIAS1 im Brustkrebs hin. Aus diesem Grund ist anzunehmen, dass (A) PIAS1 knockdown in Tumorzellen die Empfindlichkeit gegenüber Bestrahlung erhöht und das Protein deshalb als Target für eine verbesserte Kombinationstherapie dient (B) PIAS1 in Mechanismen der Bestrahlungsresistenz involviert ist und (C) die PIAS1 Expression im Gewebe einen Marker für Rückfallswahrscheinlichkeit, sowie Erfolgschancen einer Strahlentherapie darstellt. Um diese Hypothesen zu überprüfen, werden folgende Fragestellungen bearbeitet: (A) Der potentiell additive Effekt von PIAS1 knockdown in Kombination mit Bestrahlung wird in Prostata- und Brustkrebszellen in vitro und in vivo untersucht. (B) PIAS1 Expression und Funktion werden in radio-resistenten Zellen untersucht. (C) Es wird analysiert, ob die PIAS1 Expression in Patientengewebe als Marker für das Überleben bzw. die Wirksamkeit von DNA-schädigenden Therapien dient. Ergebnisse dieses Projektes könnten PIAS1 als neues therapeutisches Target für eine kombinierte Krebstherapie identifizieren. Des Weiteren ist es möglich, dass die PIAS1-Bestimmung im Gewebe die Biopsiediagnostik erleichtert. Diese Ergebnisse verbessern das Management von Prostata- und Brustkrebs signifikant und sind wertvoll für die Tumorforschung im Allgemeinen. Die Antragstellerin konnte in Vorarbeiten eine erhöhte Expression sowie eine onkogene Rolle von PIAS1 im Prostatakarzinom zeigen, und möchte im Rahmen des vorliegenden Projektes die PIAS1-Studie auf eine translationale, klinisch relevante Fragestellung ausweiten. Die Hertha Firnberg Stelle ist ein wertvoller Beitrag, um die wissenschaftlichen und persönlichen Fähigkeiten der Antragstellerin zu fördern und es ihr zu ermöglichen, sich im Feld der hormonabhängigen Krebserkrankungen zu etablieren. 1

Die Strahlentherapie zielt darauf ab, die DNA der Tumorzellen zu schädigen so dass sie absterben, was zu einem Schrumpfen des Tumors führt. Leider kommt es häufig zu einem Rückfall, da Tumorzellen lernen, diese Schäden effektiv zu reparieren, überleben und neue Metastasen bilden. Daher ist es wichtig, neue Therapiestrategien zu entwickeln, welche die Effektivität der Strahlentherapie erhöhen können. In Vorstudien konnten wir zeigen, dass das Protein PIAS1 im Prostatakrebs erhöht ist und PIAS1 das Wachstum dieser Zellen beschleunigt. Interessanterweise wurde auch bereits gezeigt, dass PIAS1 auch an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt ist, welche für die Reparatur von DNA Schäden nötig sind. In diesem Projekt wollten wir (a) die Erkenntnisse zu PIAS1 auf Brustkrebs ausweiten, eine Tumorart die viele Ähnlichkeiten zu Prostatakrebs aufweist und (b) austesten, ob ein PIAS1 knockdown die Effektivität der Strahlentherapie in Prostata- und Brustkrebs erhöhen kann. Als ersten Schritt untersuchten wir die Expression von PIAS1 in Gewebeproben von Brustkrebspatientinnen. Das PIAS1 Level war signifikant höher in bösartigen Gewebestücken sowie in Lymphknotenmetastasen, verglichen mit gutartigen Proben. Funktionelle Experimente zeigten, dass ein PIAS1 knockdown in verschiedenen Brustkrebstypen zu einer Wachstumshemmung führt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass PIAS1 in Prostata- und Brustkrebs eine vergleichbare Rolle in der Regulation des Wachstums spielt. In weiteren Experimenten zeigte sich, dass ein PIAS1 knockdown die DNA-Reparatur hemmt. Daher testeten wir als nächstes, ob ein knockdown von PIAS1 am Tag vor einer Bestrahlung die Effektivität dieser Therapie verbessern kann. Wir konnten zeigen, dass beide Einzelbehandlungen (PIAS1 knockdown; Bestrahlung mit 5 gray in einem für Patienten verwendeten Bestrahlungsgerät) die Zellzahl und die Viabilität der Tumorzellen nur minimal senken. Eine Kombination beider Behandlungen führte jedoch zu signifikant besseren Ergebnissen, nämlich einer stark reduzierten Zellzahl und einem erhöhten Absterben der Tumorzellen. Zusammengefasst schließen wir aus diesen Ergebnissen, dass die wachstumsfördernde Rolle von PIAS1 nicht nur auf Prostatakrebs beschränkt ist, sondern sich auch auf Brustkrebs ausdehnen lässt. Dieses Ergebnis macht PIAS1 zu einem interessanten Protein für Forscher die an anderen Krebsarten arbeiten. Desweiteren konnten wir zeigen, dass ein PIAS1 knockdown bereits als Einzelbehandlung zu einer Hemmung des Tumorzell-Wachstums führt, wobei dieser Effekt durch eine Kombination mit der Strahlentherapie drastisch verstärkt wird. Nachfolgestudien sollten Strategien entwickeln, wie ein knockdown von PIAS1 spezifisch im Tumor eines Patienten erreicht werden kann.