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Cathepsin L: Den Stress im Tumor überwinden

Cathepsine sind Proteasen, eiweißspaltende Enzyme, die dem Abbau von Proteinen dienen, aber ebenso an der Neubildung von Blutgefäßen im Rahmen der Wundheilung mitwirken. Außerdem kommt es auch vor, dass Cathepsine einen Tumor dabei unterstützen, sich auszubreiten und Metastasen zu bilden. Wie dies geschieht, untersuchen Prof. Dr. Thomas Reinheckel und sein Team vom Institut für Molekulare Medizin und Zellforschung der Universität Freiburg. Durch die Aufklärung der Rolle des Cathepsin L in Tumorprozessen lassen sich zukünftig vielleicht Progression und Metastasenbildung solider Tumoren in Krebstherapien besser beeinflussen.

Glossar

  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Metastasen sind Zellen, die sich vom Primärtumor abgelöst haben und weiterwachsen. Diese Tochtergeschwulst kann weit entfernt vom Primärtumor und in völlig anderem Gewebe entstehen.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Transgene Organismen sind Organismen (Mikroorganismen, Tiere, Pflanzen), denen mit Hilfe gentechnischer Methoden ein fremdes Gen eingeführt worden ist, das von Generation zu Generation weitervererbt wird. Transgene Organismen sind somit gentechnisch veränderte Organismen. (GVO)
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Chemotherapie ist eine Behandlung von Krankheiten, insbesondere Krebs, unter Einsatz von Chemotherapeutika (Medikamente zur Wachstumshemmung von (Krebs)-Zellen).
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Kinasen sind Enzyme, die eine Phosphatgruppe von ATP (Adenosintriphosphat) auf andere Enzyme oder chemische Verbindungen übertragen und diese somit phosphorylieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Aggregation ist die funktionelle Zusammenlagerung von Zellen oder Molekülen.
  • Das Sezernieren einer Substanz oder Flüssigkeit ist das Absondern dieser Substanz oder Flüssigkeit aus einem Gewebe oder aus Zellen, meist ohne dass eine Drüse vorhanden ist.
  • Messenger-RNA (Abk.: mRNA) ist eine Ribonukleinsäure, die eine Kopie eines kurzen DNA-Stücks darstellt und als Vorlage für die Synthese eines spezifischen Proteins dient.
  • Kollagene sind Strukturproteine im Gewebe von Wirbeltieren. Es ist wesentlicher Bestandteil des Bindegewebes bzw. der extrazellulären Matrix zwischen den Zellen. Ein Kollagenmolekül besteht aus jeweils drei Polypeptidketten, die sich helical umeinander winden. Hauptbestandteil dieser Polypeptidketten sind die Aminosäuren Glycin, Prolin und Hydroxyprolin. Kollagenfasern besitzen eine sehr hohe Zugfestigkeit und sind Komponenten von Knochen, Zähnen, Knorpel, Sehnen, Bänder und der Haut.
Der Forscher und Mediziner Prof. Dr. Thomas Reinheckel analysiert die Wirkungsweise des Cathepsin L und hat dabei den Brustkrebs im Blick. © privat

Sollen alte Zellorganellen eliminiert oder Proteine in der Zellumgebung beseitigt werden, sind sie zur Stelle: Cathepsine. Sie sind Endoproteasen und sind vorzugsweise in den Lysosomen der Zelle zu finden. Beim Menschen gibt es etwa 17 solcher Proteasen. Ihre Funktion ist, Proteine, die ins Lysosom gelangen, hydrolytisch zu spalten und die frei werdenden Aminosäuren als Bausteine für weitere Synthesen zur Verfügung zu stellen. Früher verwendete man das in der Papaya enthaltene Papain, ein Cathepsin, als Zartmacher für Fleisch, da es Kollagen und Elastin zu spalten vermag. Insgesamt sind mit Cathepsinen sechs menschliche Erbkrankheiten assoziiert, die in ihrer Symptomatik vor allem Nervensystem und Knochen betreffen – zum Beispiel das Goldberg-Syndrom (fehlerhaftes Cathepsin A), das Papillon-Lefevre-Syndrom ( defektes Cathepsin C), die Pyknodysostose (Unterfunktion des Cathepsin K) und die neuronale Ceroid-Lipofuszinose (defektes Cathepsin D).

Herrscht ein Defizit bestimmter Cathepsine, kann dies ein Auslöser für eine lysosomale Speicherkrankheit sein, die häufig durch Neurodegeneration gekennzeichnet ist. Die Patienten sterben oft schon in jungen Jahren. Bei einer Überexpression hingegen schütten Immunzellen zu viele Cathepsine aus. Zerstörter Knochen und Knorpel als Konsequenz resultiert in Arthritis-Schmerzen. Doch diese potenten Enzyme zerstören nicht nur, sie schaffen auch Neues, wenn auch indirekt. „Cathepsine werden von Makrophagen oder Immunzellen nach außen sezerniert, wo sie die vorhandene extrazelluläre Matrix spalten und so Platz für neue Blutgefäße schaffen", weiß Thomas Reinheckel. Mit seinem Team erforscht er am Institut für Molekulare Medizin und Zellforschung der Universität Freiburg die Rolle der Cathepsine insbesondere in der Progression von Brustkrebs, aber auch anderer Krebsarten. Da Cathepsine das Krebswachstum fördern, ist eine hohe Expression von Cathepsinen bei vielen Karzinomen ein Zeichen für eine ungünstige Prognose.

Stress im Tumor

Bei hoher Sauerstoffkonzentration bilden Sphäroide aus Brustkrebszellen wenige Ausläufer (links). Bei Sauerstoffmangel dringen Ausläufer der Krebssphäroide in die umgebende Extrazellulärmatrix ein (rechts). Proteasen wie Cathepsin L fördern diesen aggressiven Invasionsprozess. © Arbeitsgruppe Prof. Dr. Reinheckel, Universität Freiburg

Durch verstärktes Wachstum herrscht in manchen Krebszellen eine Art Zellstress. Zellen im Tumorinneren bekommen weniger Sauerstoff und Nährstoffe, da die Versorgung über Blutgefäße dort nicht gewährleistet ist. Reinheckel fand in Brustkrebszellen einen erhöhten Spiegel des Cathepsin L (CTSL), auch wenn diese in einem offensichtlich gestressten Zustand waren. Er fragte sich: „Wie schafft es die Zelle, so viel von dem Protein herzustellen, wo doch im Tumor Stress herrscht?" Normalerweise startet die Zelle ein Programm, das die Proteinsynthese herunterfährt, wenn Nährstoff oder Sauerstoff fehlen, um Material und Energie zu sparen. Bei Stress haften beispielsweise keine neuen Ribosomen mehr an die mRNA des Zytoskeletts und es wird kein neues Aktin mehr hergestellt. Überdies zeigen strapazierte Zellen unter dem Mikroskop kleine körnchenartige Aggregate, in denen die mRNA vorübergehend verpackt wird, wenn sie nicht abgelesen werden soll. Diese Stress-Granulae aus Proteinen, Translationsfaktoren und mRNA sorgen dafür, dass freie Kapazitäten für die Bildung von dringender benötigten Proteinen entstehen, und lösen sich wieder auf, wenn die Krise vorbei ist.

Cathepsin L war in den Krebszellen sogar vermehrt exprimiert. Der Mediziner zeigte, dass die Translation von CTSL während der Tumorformation trotz Stress aufrechterhalten wird. Dies fördert die Metastasierung in Brustkrebs und korreliert mit einer schlechten Prognose. Die klassische Erklärung: Mehr Cathepsine schaffen Platz, indem sie mehr Extrazellulärmatrix abbauen, machen also den Weg frei für Tumorzellen, die sich ausbreiten und wandern. „Hier wird der Stresszustand überwunden", erläutert Reinheckel, „die Zelle hat einen Überlebensvorteil, wenn sie genug Cathepsin L hat." Dabei betont er, dass es sich um eine indirekte Art handelt, die Wanderung der Krebszellen zu veranlassen. Die Protease wird von der Zelle als akzessorischer Faktor genutzt, um sich in unvorteilhaften Umgebungen zurechtzufinden. „Cathepsin L ist kein klassisches Onkogen oder ein Tumorpromotor – das sind andere", sagt er.

Geheimnis der Stressresistenz des Cathepsin L

In Extrazellulärmatrix eingebettete Brustkrebszellen (blau) lagern sich zu dreidimensionalen Tumorzellsphäroiden zusammen. Im Inneren und darum herum lassen sich Bereiche mit starker Proteolyse (grün) nachweisen. © Arbeitsgruppe Prof. Dr. Reinheckel, Universität Freiburg

Durch die Analyse von Polyribosomenkomplexen gelangten die Wissenschaftler zur Erklärung, warum CTSL auch unter Stressbedingungen gut hergestellt wird. Derartige Komplexe sind mRNA-Ketten, die während der Translation gleichzeitig mit mehreren Ribosomen besetzt sind – je mehr, desto besser. Sie gewährleisten normalerweise die effiziente Proteinproduktion aus einem mRNA-Molekül. Die mRNA von Cathepsin L ist jedoch in Brustkrebszellen durchgehend mit solchen Polyribosomenkomplexen verbunden, während andere mRNAs derselben Zelle unter Stress stillgelegt werden. Warum ist CTSL resistent gegenüber der stressinduzierten Hemmung der Translation und andere Proteine sind dies nicht?

Laut Reinheckel gibt es Hinweise, dass Cathepsin L in seiner mRNA ein genetisches Motiv aufweist, das die Proteinsynthese erlaubt, auch wenn die normale Initiationsmaschine blockiert ist. Dieses Motiv nennt sich IRES (interne ribosomale Eintrittsstelle) und ist höchstwahrscheinlich viralen Ursprungs. „Das IRES-Element ist natürlicherweise in der Cathepsin-L-mRNA vorhanden und ermöglicht eine Expression unabhängig von normalen Prozessen", erklärt Reinheckel. Viren besitzen häufig IRES-Elemente, da sie nach Befall einer Wirtszelle die Bildung von eigenen Viruspartikeln sicherstellen wollen. „Aus Zellsicht ist es ein sinnvolles Programm", findet Reinheckel, „unter Stress die Cathepsin-L-Produktion hochzuregulieren." Denn für die Zellen, die im Inneren eines Tumors sind, gibt es nur zwei Möglichkeiten: Entweder sie sterben oder sie finden Wege, den Stress zu umgehen und etwa die Neubildung von Blutgefäßen zu induzieren, sodass sie an Nährstoffe kommen.

Inhibition mit Einschränkung

Interessanterweise sind die Forscher um Reinheckel auf einen weiteren Weg gestoßen, wie CTSL die eigene Translation sichert. Das Enzym entzieht sich auch dem anderen Mechanismus, der bei Stress von der Zelle eingeleitet wird: „Wir wissen noch nicht, wie sie es schafft, aber wir haben gesehen, dass die mRNA von Cathepsin auch nicht in diese Stress-Granulae sortiert wird", verrät der Molekularforscher. Vermutlich spielen microRNAs dabei eine wichtige Rolle. Die Wissenschaftler arbeiten mit transgenen Mäusen, die das humane Cathepsin-L-Gen tragen. Bei der Kreuzung mit Tumormäusen konnte das Team zeigen, dass das Transgen tatsächlich Tumorwachstum fördert.

Eine Anwendung in der Tumorbehandlung birgt zwar Hoffnung, aber auch Nachteile, da man das therapeutische Fenster nicht genau kennt. Cathepsine komplett zu inhibieren, könnte im Sinne einer Cathespin-Defizienz auch tödlich enden. Ein Ausweg mit weniger Nebenwirkungen wäre, Inhibitoren zu entwickeln, die Cathepsine extrazellulär zu hemmen, um Tumorprogression zu verhindern, aber die Enzyme in der Zelle in Ruhe zu lassen. „Aber es ist klar, dass die Inhibition den Krebs nicht an der Wurzel heilt, sie bewirkt nur, dass sich die Zellen schwerer an unvorteilhafte Umgebung anpassen", sagt Reinheckel und plädiert für eine Kombination mit Chemotherapie und Kinase-Hemmern.

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