Wissenschaftler der EPFL, des Ludwig-Instituts für Krebsforschung und des CHUV haben ein Protein identifiziert, mit dessen Hilfe Tumore den Angriffen des Immunsystems entgehen, was zu den in der Klinik beobachteten schwachen Reaktionen auf Immuntherapien beiträgt.
Die Immuntherapie ist ein fortschrittlicher Ansatz zur Behandlung von Krebs. Sie besteht darin, das Immunsystem der Patientin oder des Patienten gegen den Tumor zu richten. Unser wachsendes Wissen über die Mechanismen, mit denen der Körper Immunantworten reguliert, hat somit unseren Kampf gegen den Krebs verändert.
Trotz ihrer Erfolgsquote ist die Immuntherapie immer wieder auf ein hartnäckiges Hindernis gestoßen: Tumorzellen entgehen oft der "Wachsamkeit" der Immunzellen, die versuchen, sie zu zerstören. Dies führt zu einer Resistenz gegen die Behandlung. Es ist daher notwendig, die Mechanismen besser zu verstehen, mit denen die Immunität umgangen werden kann.
Eine neue Studie von Wissenschaftlern der EPFL hat ein Protein ans Licht gebracht, das eine Schlüsselrolle dabei spielt, dass Tumore der Zerstörung durch das Immunsystem entgehen können. Dieses Protein, das sogenannte Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP), reguliert eine Reihe von Genen und Zellen in der Mikroumgebung des Tumors, die es ihm ermöglichen, von Immunzellen nicht "entdeckt" zu werden. In Neuronen ist FMRP an der Regulierung der Proteintranslation und der Stabilität der mRNA beteiligt. Die Forscherinnen und Forscher fanden jedoch heraus, dass es auch bei vielen Krebsarten dereguliert sein kann.
Die in der Zeitschrift Science, veröffentlichte Studie wurde von Wissenschaftlern des Teams von Douglas Hanahan vom Schweizerischen Institut für Experimentelle Krebsforschung (ISREC) und der Lausanner Zweigstelle des Ludwig Instituts für Krebsforschung sowie von Kollegen des Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) und anderen Schweizer Institutionen durchgeführt. Die Entdeckungen führten auch zur Gründung eines Spin-offs der EPFL, Opna Bio , dessen Mitarbeiter ebenfalls an der Forschung beteiligt sind.
Aber warum sollte man sich mit FMRP beschäftigen? Die Idee entstand aus früheren Studien, die zeigten, dass Krebszellen, die FMRP auf natürliche Weise überexprimieren, invasiver sind und eher Metastasen bilden. Andere Studien zeigen, dass die fehlende Expression von FMRP in sich entwickelnden Neuronen zu kognitiven Beeinträchtigungen führen kann (daher die Bezeichnung "mental retard" im Namen des Proteins).
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse machten sich die Forscher daran, die Expression von FMRP in menschlichen Tumoren zu untersuchen. Anschließend bewerteten sie seine tumorprotektiven Funktionen in Krebsmodellen von Mäusen. Schließlich untersuchten sie seinen Zusammenhang mit der Prognose von menschlichen Krebspatientinnen und -patienten.
Die Studie umfasste mehrere Schritte der Datenerhebung. Zunächst führten die Wissenschaftler die Immunmarkierung von FMRP auf Gewebe aus menschlichen Tumoren durch. Die meisten Tumore erwiesen sich im Gegensatz zum entsprechenden gesunden Gewebe als positiv. Mit anderen Worten: FMRP wird in Krebszellen spezifisch und stark exprimiert.
Anschließend ging das Team zum Hauptteil seiner Forschung über, nämlich die Rolle von FMRP in den Tumoren, die das Protein exprimieren, zu bestimmen. Was ist die Funktion des Proteins?
Das FMRP-Protein ist am Immunsystem beteiligt.
Um seine Funktionen zu untersuchen, haben Wissenschaftler sogenannte Knock-out-Krebszelllinien entwickelt. Die Knock-out-Zellen oder -Organismen sind genetisch so verändert, dass sie ein bestimmtes Gen verlieren - "ausschalten" -, um Hinweise auf dessen Funktion zu finden. Denn jede Veränderung, die bei Knock-out-Zellen im Vergleich zu Zellen auftritt, die noch das "Wildtyp"-Gen besitzen, kann in der Regel auf das fehlende Gen zurückgeführt werden.
In diesem Fall verwendeten die Wissenschaftler die bekannte Genomeditiertechnik CRISPR-Cas9, um das Gen (genannt FMR1), das das FMRP-Protein produziert, in Krebszellen von Mäusen aus Bauchspeicheldrüse, Dickdarm, Brust und Melanozyten der Haut auszuschalten. Anschließend verglichen sie die Krebszellen ohne FMRP mit den Krebszellen, die noch das FMR1-Gen besaßen und somit das FMRP-Protein exprimierten.
Die Forscher verglichen die Überlebensraten von Mäusen mit Tumoren, die FMRP-freie Krebszellen enthielten, mit denen von Mäusen mit Wildtyp-FMRP-Zellen, zunächst bei den Mäusen, deren Immunsystem geschädigt war. Der Vergleich ergab ähnliche Überlebensraten. Als sie jedoch die Knock-out-Tumoren mit den Wildtyp-Tumoren verglichen, die sich in Mäusen mit einem kompetenten Immunsystem entwickelten, stellten sie fest, dass sich die FMRP-freien Tumoren langsamer entwickelten und die Mäuse länger überlebten.
Dies macht deutlich, dass FMRP nicht an der Stimulierung des Tumorwachstums an sich beteiligt ist, sondern vielmehr das adaptive Immunsystem (den Teil unseres Immunsystems, den wir z. B. durch Impfungen "trainieren").
Diese Entdeckung wurde bestätigt, nachdem die Wissenschaftler beobachtet hatten, dass die Wildtyp-Tumoren kaum von T-Zellen infiltriert wurden, während die Knock-out-Tumoren stark entzündet waren. Die Entfernung von T-Zellen aus Tumoren, denen FMRP fehlte, beschleunigte deren Wachstum und verringerte die Überlebensrate der Mäuse, was bedeutet, dass FMRP an den Mechanismen beteiligt ist, mit denen Tumoren dem Immunsystem entkommen.
Wie Tumoren mit FMRP Immunzellen abwehren.
Das Team fuhr mit der molekulargenetischen Profilierung der Knock-out- und Wildtyp-Tumoren fort, wobei es erhebliche Unterschiede in der Gentranskription über das gesamte Genom hinweg feststellte, was darauf hindeutet, dass FMRP mit mehreren Genen interagiert. Darüber hinaus wiesen die Tumore deutliche Unterschiede in der Häufigkeit von Krebszellen, Makrophagen und T-Zellen auf, was die Rolle des FMRP-Proteins bei der Modulation von Komponenten des Immunsystems bestätigt.
In der nächsten Phase der Studie wurde die Produktion von spezifischen Faktoren untersucht, die mit unterschiedlichen Immunreaktionen verbunden sind: Flucht oder Angriff. Es wurde festgestellt, dass FMRP-exprimierende Tumore Interleukin-33 produzierten, ein sezerniertes Protein, das die Produktion von regulatorischen T-Zellen induziert, einer spezialisierten Subpopulation von T-Zellen, die Immunantworten hemmen. Außerdem produzieren sie Protein S, ein Glykoprotein, von dem bekannt ist, dass es das Wachstum von Tumoren fördert. Schließlich produzieren Tumore Exosomen - Zellorganellen, die nachweislich die Produktion eines Zelltyps, der Makrophagen, auslösen, die normalerweise zur Wundheilung und Gewebereparatur beitragen. Alle drei Faktoren zusammen wirken immunsuppressiv und bilden so eine Barriere, die den Tumor vor Angriffen der T-Zellen schützt.
Im Gegensatz dazu unterdrücken Tumorzellen ohne FMRP diese drei Faktoren (Interleukin-33, Protein S und Exosomen), während sie ein Chemokin namens "C-C-Motiv 7 Chemokinligand" (CCL7) hochregulieren, das zur Rekrutierung und Aktivierung von T-Lymphozyten beiträgt. Dieser Prozess wird zusätzlich durch die Induktion von immunstimulierenden (und nicht immunsuppressiven) Makrophagen gefördert. Diese Zellen produzieren auch drei weitere entzündungsfördernde Proteine, die mit CCL7 zusammenarbeiten, um T-Lymphozyten zu rekrutieren.
Vorhersage der Ergebnisse einer Immuntherapie bei menschlichen Patientinnen und Patienten
In der klinischen Praxis stellt sich die Frage, ob die FMRP-Spiegel dazu beitragen können, eine Prognose für Patientinnen und Patienten unter Immuntherapie zu erstellen. Entgegen den Erwartungen reichen die mRNA des FMR1-Gens und die FMRP-Spiegel in Tumoren nicht aus, um die Ergebnisse in den Kohorten von Krebspatienten vorherzusagen.
Die Forscher machten sich die Tatsache zunutze, dass FMRP die Stabilität der mRNA in der Zelle durch direkte Bindung an die mRNA nach oben oder unten moduliert. Mit anderen Worten: FMRP könnte die RNA-Spiegel in den Transkriptom-Datensätzen verändern, die gesammelt werden könnten, um eine "genetische Signatur" zu identifizieren, mit der sich seine funktionelle Aktivität verfolgen ließe. Dieser Ansatz funktionierte erfolgreich und ermöglichte es den Wissenschaftlern, eine genetische Signatur der krebsregulierenden Aktivität von FMRP mit einem Satz von 156 Genen zu definieren.
Die Signatur der FMRP-Aktivität in Krebszellen hat sich bei vielen menschlichen Krebsarten als mit einer schlechten Überlebensprognose verbunden erwiesen. Dies stimmt mit den immunsuppressiven Wirkungen des FMRP-Proteins überein, und bei einigen Patienten war es mit niedrigen Ansprechraten auf Immuntherapien verbunden.
Diese Arbeit zeigt, dass FMRP eine Reihe von Genen und Zellen in der Tumormikroumgebung reguliert, die den Tumoren helfen, sich der Immunzerstörung zu entziehen.
Douglas Hanahan erklärt: "Ich habe die komplexe Zellzusammensetzung von soliden Tumoren seit Jahrzehnten studiert, aber unsere Entdeckung hat mich sehr überrascht. Ein kooptiertes neuronales Regulationsprotein - FMRP - kann die Bildung einer vielschichtigen Schutzbarriere gegen Angriffe des Immunsystems orchestrieren, was die Wirksamkeit von Immuntherapien begrenzt und FMRP als neues Ziel für Krebstherapien präsentiert.
Andere Mitwirkende
- Opna Bio SA
- Krebsforschungszentrum AGORA
- Schweizerisches Institut für Bioinformatik (SIB)
- Universität Bern
- Institut für Bioingenieurwesen der ETH Lausanne (EPFL)
- Universität Lausanne (UNIL)
- Nationales Zentrum für die Gesundheit von Kindern (Peking)
- Schweizerisches Krebszentrum - Arc lémanique (SCCL)
Qiqun Zeng, Sadegh Saghafinia, Agnieszka Chryplewicz, Nadine Fournier, Lucine Christe, Yu-Qing Xie, Jeremy Guillot, Simge Yucel, Pumin Li, José A. Galván, Eva Karamitopoulou, Inti Zlobec, Dalya Ataca, Fleuriane Gallean, Peng Zhang, José Antonio Rodriguez Calero, Mark Rubin, Mélanie Tichet, Krisztian Homicsko, Douglas Hanahan. Aberrant hyperexpression of the RNA binding protein FMRP in tumors mediates immune evasion. Science 378, eabl7207, 18. November 2022. abl7207
