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Laborjournal: In Tumorzellen findet man häufig somatische Mutationen. Gibt es dabei gewisse Regelmäßigkeiten?
Roland Eils: Die somatischen Mutationen sind natürlich breit gestreut übers Genom. Trotzdem gibt es Hotspots, an denen wir in Tumorzellen vermehrt Mutationen sehen. So finden wir den Trend, dass spät replizierende DNA eher von einer höheren Mutationsdichte betroffen ist als früh replizierende Abschnitte.
Mit ‚spät’ und ‚früh’ meinen Sie den Zeitpunkt der Replikation vor einer Mitose?
Eils: Genau. Man weiß zum Beispiel, dass das inaktive X-Chromosom sehr spät im Zellzyklus repliziert wird – tatsächlich als letztes aller Chromosomen. Zugleich ist aber die Replikationsgeschwindigkeit für das inaktive X-Chromosom doppelt so hoch wie diejenige der aktiven Variante. Daraus haben wir die Hypothese abgeleitet, dass der entsprechende X-Chromosom-Hypermutationseffekt womöglich etwas mit Replikationsstress zu tun hat.
Nur und immer bei Mädchen
Von ‚Hypermutation’ sprechen Sie, wenn die Mutationsdichte einer Region mindestens doppelt so hoch ist wie die durchschnittliche Mutationsdichte im Gesamtgenom. Speziell zur Hypermutation des X-Chromosoms haben Sie 2013 einen Artikel in Cell veröffentlicht (155(3): 567-81). Demnach ist in Tumoren das X-Chromosom stärker von Mutationen betroffen, allerdings nur bei Frauen!
Eils: Ja. Aber dazu sollte ich vielleicht ein bisschen ausholen, wie wir überhaupt darauf gekommen sind: Wir arbeiten mit unseren Kollegen aus der Molekulargenetik und der Onkologie intensiv an frühkindlichen Hirntumoren – und einer davon ist das Medulloblastom. Dazu haben wir uns die genomischen Mutationsprofile all unserer Medulloblastom-Patienten angeschaut. Was uns dabei überrascht hat: Bei weiblichen Patienten hat das X-Chromosom eine Mutationsdichte, die deutlich höher ist als in Autosomen. Das betraf alle unsere Patientinnen mit Medulloblastom.
Wir haben das mit den Daten männlicher Patienten mit frühkindlichem Medulloblastom verglichen – und dort trat dieser Effekt nie auf. Die Mutationsdichte auf dem X-Chromosom der Jungs ist also nicht zu unterscheiden von der mittleren autosomalen Mutationsdichte.
Ohne Ausnahmen?
Eils: Zu dieser Schwarzweiß-Aussage „Bei den Mädchen immer, bei den Jungs nie“ gab es drei oder vier Ausreißer. Zwei oder drei Mädchen ohne und ein Junge mit X-Hypermutation. Als wir uns diese Fälle näher angeschaut haben, war aber sofort klar, dass die Mädchen ohne X-Hypermutation nur noch eine einzige Kopie des X-Chromosoms in ihren Tumorzellen hatten. Das passiert relativ häufig bei Krebszellen, doch den Verlust eines X-Chromosoms überlebt eine Zelle nur, wenn das inaktive Chromosom verlorengeht. Das heißt: Die wenigen Mädchen, die keine X-Hypermutation hatten, hatten auch kein inaktives X-Chromosom.
Foto: Roland Eils
Roland Eils: "Hypermutation ist eher Nebeneffekt der Tumorentstehung."
Und wie sind die Ausreißer unter den Jungs zu erklären?
Eils: Wir hatten einen Jungen mit X-Hypermutation. Bei ihm haben wir aber zusätzlich zum Krebs das Klinefelter-Syndrom diagnostiziert. Dieser Junge hatte also mehr als ein X-Chromosom. Und immer wenn Sie mehr als ein X-Chromosom haben, werden alle weiteren Kopien des X-Chromosoms stillgelegt – bis auf eine aktive Kopie. Also hatte dieser Junge mit X-Hypermutation auch ein inaktives X-Chromosom. Somit stand unsere Arbeitshypothese , dass von der Hypermutation ausschließlich inaktivierte X-Chromosomen betroffen sind.
„Es gibt keinen Grund, eine Mutation zu reparieren, die nicht transkribiert wird“
Sammelt das inaktive X-Chromosom denn generell viele Mutationen an, oder betrifft das nur Tumorzellen? Und was ist dann ‚Henne’ und was ist ‚Ei’?
Eils: Also ich glaube, dass die Hypermutation nicht ursächlich mit der Krebsentstehung verbunden ist, sondern dass es sich um einen Nebeneffekt der Tumorevolution handelt. Es ist plausibel, dass Mutationen auf einem inaktiven Teil des Chromosoms nicht zu einem negativen Selektionsdruck führen. Oder andersherum gesagt: Es gibt keinen Grund für die Zelle, eine Mutation zu reparieren, die gar nicht transkribiert wird.
Dann müsste man hypermutierte X-Chromosomen ja auch bei gesunden Frauen finden!
Eils: Diese Frage haben wir uns auch gestellt. Aber wir wollten zunächst wissen, ob wir dieses Schwarzweiß-Bild zwischen männlichen und weiblichen Patienten grundsätzlich bei Krebserkrankungen finden oder doch nur bei Medulloblastomen. Darum haben wir noch elf weitere Krebs-Entitäten untersucht und Tumorzellen sequenziert. Dieses Schwarzweiß-Bild hat sich dabei nicht bestätigt. Allerdings gab es keine einzige Krebs-Entität, bei der wir nicht mindestens eine Frau mit X-Hypermutation entdeckt haben.
Aufwändige Einzelzell-Sequenzierung
Da ging es unter anderem um Brustkrebs, Akute Myeloische Leukämie, Glioblastome oder Darmkrebs – also wirklich sehr unterschiedliche Krebsarten.
Eils: Ja, und somit tritt dieser Effekt Krebsart-überspannend auf, aber eben nicht immer. Wir hätten eher erwartet, dass wir die X-Hypermutation entweder nur bei Medulloblastomen finden und sonst nirgends – oder aber dass das Bild in anderen Krebs-Entitäten genauso schwarzweiß ist. Zu Ihrer Frage, ob es womöglich zur natürlichen gesunden Alterung gehört, dass das inaktive X-Chromosom im Laufe der Zeit viele Mutationen ansammelt: Experimentell ist das kniffelig, weil Sie im Grunde genommen Einzelzellen untersuchen müssten. Sonst sequenzieren wir ja immer DNA aus einem Gemisch vieler hunderttausend Zellen. Das ist auch bei den Tumorproben der Fall, nur gibt es innerhalb einer Tumorprobe ja eine sehr hohe Klonalität. Bei Körperzellen ohne klonalen Ursprung können sich unterschiedliche Mutationen bei der Auswertung indes rausmitteln – und wir würden eine Hypermutation letztlich gar nicht entdecken!
Sie haben sich aber trotzdem auch Zellen gesunder Probanden angeschaut.
Eils: Ja, dazu mussten wir wirklich einzelne Zellen nehmen und in einem In vitro-System expandieren. Das ist ziemlich aufwändig. Für die Studie haben das unsere Kooperationspartner aus Leipzig mit Blutstammzellen von zwei Frauen gemacht – und da haben wir keine Hypermutation gefunden. Für eine sichere Aussage müsste man das jedoch systematisch mit vielen Millionen Zellen hunderter Probandinnen durchführen. Was letztlich aber darauf hindeutet, dass die X-Hypermutation wirklich ein krebsspezifisches Phänomen ist: Wir hatten zwei dieser Mädchen mit Medulloblastom und klarer X-Hypermutation in den Tumorzellen. Diese Patientinnen haben später zufällig eine andere Erkrankung entwickelt: Das Myelodysplastische Syndrom. Das ist kein Krebs, aber ebenfalls eine klonale Erkrankung. Dort haben wir jedoch keine X-Hypermutation gefunden. Ich glaube, das ist schon eine starke Evidenz, wenn man einmal maligne und einmal prämaligne Zellen aus demselben Patienten hat – und einmal X-Hypermutation findet und einmal nicht.
Was bedeuten diese Ergebnisse für die Krebsforschung?
Eils: Für Behandlungsmöglichkeiten dieser Patientinnen spielt es zurzeit keine Rolle. Aber zum einen sind die Ergebnisse für unser Grundverständnis wichtig, was die Mutationsentstehung in Krebs betrifft: Nämlich dass spät replizierende Regionen davon stärker betroffen sind, und dass es auch sehr globale Effekte auf einem einzelnen Chromosom geben kann. Dazu gibt unsere Studie sicher neue Denkanstöße. Zum anderen geht es um das Grundverständnis des X-Chromosoms und den Unterschied zwischen aktiver und inaktiver Version. Das Phänomen der X-Inaktivierung ist ja in vielerlei Hinsicht noch ein Geheimnis, obwohl es heftig beforscht wird. Das ist aber nicht mehr unsere Spielwiese, sondern das sind Fragen und Arbeitshypothesen, die wir in die Community der Zellbiologie weitergeben müssen.
Interview: Mario Rembold