Signalleitung, Zellhierarchien und epigenetische Prozesse im transformierten Darmepithel

Abstract

Die vorliegende kumulative Habilitationsschrift fasst mehrere Arbeiten zur Signaltransduktion im normalen und transformierten Darmepithel zusammen. Dabei werden verschiedene Modellsysteme und Techniken verwendet. Microarray-basierte Genexpressionsanalysen an fortgeschrittenen Kolonkarzinomen dienten zur Identifikation einer Genexpressionssignatur, die typisch für metastasierende Kolonkarzinome ist. Eine eingehende funktionelle Analyse des BAMBI- Genproduktes, das durch β-Catenin kontrolliert wird und für einen negativen Regulator des TGF-β-Signalweges kodiert, konnte zeigen, dass Teile der identifizierten Signatur eine funktionelle Bedeutung in der Regulation von Zellmotilität und Metastasierung haben. Kürzlich wurde gezeigt, dass die metastasierungsspezifische Genexpressionssignatur signifikant mit einem neu entdeckten Genaktivitätsmuster mit negativer prognostischer bedeutung überlappt. Die erwähnten Genexpressionsanalysen wurden in weiteren Arbeiten herangezogen, um Aktivitätsmuster von MAPK-Zielgenen und Komponenten des FGF- Signalweges mit dem Überleben von Patienten zu korrelieren. In einem weiteren Teil wurden induzierbare Mausmodelle generiert, die dazu geeignet sind, einzelne Onkogene im Darmepithel reversibel zu aktivieren. Die Analyse von transgenen Mäusen mit induzierbarem onkogenen β-Catenin zeigte die zentrale Rolle des Wnt/β-Catenin-Signalweges. Die transgene Aktivierung von β-Catenin führte zur Konversion normaler Darmepithelzellen in solche Zellen, die funktionell identisch mit Adenomzellen sind. Diese Zellen zeigen starke Aktivität von proliferations- und (tumor-)stammzellassoziierten Genen, und –in geeignetem Medium– weitgehend inaktive Differenzierungsmarker. Zugabe des Wachstumsfaktors BMP4 konnte diese Zellen jedoch irreversibel differenzieren. Inaktivierung des onkogenen β-Catenin-Transgenes führte zu einer Reversion der Adenom-ähnlichen Zellen zu intestinalen Stammzellen, die anschließend wieder eine normale Zellhierarchie etablierten. Eine genomweite Analyse des Methyl- DNA-Epigenoms von frühen Darmadenomen der der APCMIN Maus führte zu der Erkenntnis, dass die Aktivierung des β-Catenin-Signalweges auch unmittelbare Auswirkungen auf das genomische Methylierungsmuster der Tumorzellen hat. Überraschenderweise fand sich in frühen Darmadenomen der Maus ein komplexes und stereotypes Muster von vielen tausend epigenetischen Veränderungen. Ein Teil dieser Modifikationen, nämlich Hypermethylierung zahlreicher genomischer Abschnitte, wird offenbar durch die gesteigerte Aktivität von Polycomb- Komplexen und DNA-Methyltransferasen im Adenom gesteuert. Ein Vergleich mit Kolonkarzinomen des Menschen zeigte einen hohen Grad der Konservierung des neu entdeckten epigenetischen Musters zwischen Maus und Mensch. Die Studie könnte daher auf diagnostisch bedeutsame konservierte epigenetische Marker hinweisen.

This habilitation thesis summarizes several original works on signal transduction in the normal and transformed intestinal epithelium.