Ausgabe 5/07
Cilia meet cancer - neue Einblicke in die Pathogenese des Nierenzellkarzinoms
Das Nierenzellkarzinom gehört zu den häufigsten bösartigen Tumoren und ist trotz neuer Therapien auch im Jahre 2008 im metastasierten Stadium schwer behandelbar. Dabei wird die größte Zahl dieser Tumoren verursacht durch Verlust der Genfunktion des von Hippel-Lindau-Tumorsuppressorgens (Kim WY, J Clin Oncol 22:4991-5004, 2004). Dieses Gen wurde identifiziert durch Studien des von Hippel-Lindau-Syndroms, einer hereditären Erkrankung, die durch das Auftreten von Tumoren vornehmlich des Gefäßsystems (Hämangioblastome), der Nebenniere (Phäochromozytom) und der Niere (Nierenzellkarzinom) gekennzeichnet ist (Lonser RR, Lancet 361:2059-2067, 2003; Neumann HP, Contrib Nephrol 136:193-207, 2001). Während das von Hippel-Lindau-Syndrom durch eine vererbte Mutation eines der beiden Allele des Tumorsuppressorgens VHL (Kaelin WG, Clin Cancer Res 13: 680s-684s, 2007) verursacht wird, liegt dem sporadischen Nierenzellkarzinom meist die somatische Mutation des VHL-Gens zugrunde. Dem VHL-Gen kommt also eine Schlüsselstellung bei der Pathogenese des Nierenzellkarzinoms zu.
Wofür kodiert das VHL-Gen?
Das Genprodukt des VHL-Gens ist das von Hippel-Lindau-Protein pVHL, dessen Funktion Gegenstand aktueller Forschung ist: pVHL ist Teil einer sogenannten E3-Ubiquitinligase und führt Proteine dem proteosomalen Abbau zu (Maxwell PH, Nature 399:271-275, 1999). Dabei bindet pVHL das jeweilige Zielprotein. An dieses wird daraufhin mehrfach das kleine Markerprotein Ubiquitin anknüpft, das als Signal für die Degradationsmaschinerie der Zelle, das sogenannte Proteasom, dient. Dort werden ubiquitinierte Proteine rasch abgebaut. Die bekanntesten Zielproteine, die pVHL-abhängig abgebaut werden, sind die Mitglieder der HIF-Proteinfamilie (Hypoxie induzierbare Faktoren; Gordan JD, Curr Opin Genet Dev 17:71-77, 2007). Diese werden in der Zelle unter Normoxie strikt kontrolliert und kontinuierlich abgebaut. Unter Hypoxie und beim Verlust von pVHL steigt ihr Expressionsspiegel an, und sie führen als Transkriptionsfaktoren zur Expression verschiedener Gene, die die Angiogenese, Erythropoese und Zellproliferation steigern. Auch wenn dieser Signalweg manche Phänomene des von Hippel-Lindau-Syndroms zu erklären vermag, war die Pathogenese des Nierenzellkarzinoms bis vor kurzem vollkommen unverstanden.
Zysten und Zilien
Beim von Hippel-Lindau-Syndrom entwickelt sich ein Nierenzellkarzinom sehr häufig aus zystischen Veränderungen der Niere, die an andere Zystenerkrankungen der Niere, wie etwa die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD), erinnern (Chatha RK, Am J Kidney Dis: 37:852-858, 2001). Die molekulare Pathogenese von Zystennieren wird immer besser verstanden. Dabei konzentriert sich die Aufmerksamkeit der Grundlagenforschung auf ein Organell an der apikalen Seite jeder Tubulusepithelzelle: das primäre Zilium. Zilien sind von Zellmembran umhüllte Ausstülpungen der Zelle, die eine typische ringförmige Anordnung von Mikrotubulussträngen enthalten. Sie sind mit dem Basalkörper, der sich aus dem Zentrosom bildet, an der Zelloberfläche verankert und ragen mit ihrem Schaft ins Tubuluslumen. Die Existenz dieser haarartigen Organellen in der Niere ist seit langem bekannt, allerdings rückte das Monozilium erst in der vergangenen Dekade in den Mittelpunkt des Interesses der Nierenforschung. In dieser Zeit wurden für viele hereditäre Zystenerkrankungen der Niere ursächliche Gendefekte identifiziert und es zeigte sich, dass die beteiligten Proteine in Zilien der Nierenzellen lokalisiert sind. Die Rolle des Ziliums in der Niere wird immer besser verstanden. Man vermutet einerseits, dass das Zilium den Fluss im Tubuluslumen messen und so als Mechanosensor fungieren könnte, andererseits wird angenommen, dass das Zilium unabhängig von mechanischen Reizen als eine Art "Antenne" für Signalmoleküle dient und so Informationen ins Zellinnere leitet (Übersicht in: Benzing T, Curr Opin Nephrol Hypertens 15, 245-249, 2006).
pVHL und renale Zilien
Da Mutationen von VHL zur Entstehung von Nierenzysten führen, wurde in einer aktuellen Studie die Funktion und Lokalisation von pVHL in Tubulusepithelzellen der Niere untersucht (Schermer B, J Cell Biol 175:547-554, 2006). Es konnte gezeigt werden, dass pVHL im Zilium von Nierenzellen lokalisiert (vgl. Abb. 1). Interessanterweise führt der Verlust von pVHL, z. B. durch Gendeletion, zum Verlust von Zilien. Das Wiedereinschleusen von VHL mittels lentiviralem Gentransfer konnte diesen Defekt beheben: Die Zellen bilden zum großen Teil wieder Zilien aus. Umgekehrt wurde in kultivierten, normalerweise ziliierten Nierenepithelzellen mit lentiviraler RNAi-Technik pVHL herunterreguliert, was wiederum zum Verlust der Ziliogenese führte. pVHL hat also eine wichtige Funktion bei der Entstehung von Monozilien im Nierenepithel. Warum wird pVHL zur Zilienbildung benötigt? Es konnte gezeigt werden, dass pVHL essentiell an der Kontrolle der Wachstumsrichtung von Mikrotubuli beteiligt ist, der Struktur also, die als Skelett des Ziliums dient. pVHL bildet einen Komplex mit Polaritätsproteinen und kontrolliert so die Ziliogenese (Schermer B, J Cell Biol 175:547-554, 2006).
Zilien und Tumorentstehung
Können diese neuen Ergebnisse zur Klärung der Frage beitragen, wie es durch den Verlust von pVHL zur Entstehung des Nierenzellkarzinoms kommt? In den genannten Studien wurde pVHL erstmals mit dem Zilium von Nierenzellen in Verbindung gebracht. Seit langem ist jedoch die Verbindung von Zilien und Zellzyklus bekannt: Zilien werden in der G0-Phase gebildet, also der Phase des Zellzyklus, in der die Zelle ruht bzw. ausdifferenziert (Quarmby LM, J Cell Biol 169:707-710, 2005). Dabei entwickelt sich aus einer Zentriole des Zentrosoms der Basalkörper des Ziliums und daraus das Monozilium. Im Fall eines erneuten Eintritts in die Mitose wird das Zilium resorbiert, das Zentrosom verdoppelt sich und die beiden Zentrosomen bilden die Pole der Teilungsspindel. Somit ist es gut vorstellbar, dass die fehlende Ausbildung einer Zilie in der G0-Phase Auswirkung auf die Proliferationsrate von Zellen hat. In Nierenzysten ist in den Epithelzellen, die die Zysten auskleiden, die Proliferationsrate erhöht. Allerdings kommt es bei den meisten zystischen Nierenerkrankungen, wie z. B. der ADPKD, nicht zur vermehrten Entstehung eines Karzinoms. Es müssen also noch zusätzliche Mechanismen an der Krebsentstehung beteiligt sein (Kühn EW, Cancer Res 67:4537-4540, 2007). Weitere molekulare Analysen zur Funktion von pVHL werden sicherlich auch diese Lücke im Verständnis der Pathogenese des Nierenzellkarzinoms in der Zukunft noch schließen können und helfen, neue Therapiestrategien zu entwickeln. Wir sind sicherlich dem Verständnis des Nierenzellkarzinoms einen Schritt näher gekommen.
PD Dr. Bernhard Schermer
Prof. Dr. Thomas Benzing
Klinik IV für Innere Medizin,
Uniklinik Köln, Köln
Wofür kodiert das VHL-Gen?
Das Genprodukt des VHL-Gens ist das von Hippel-Lindau-Protein pVHL, dessen Funktion Gegenstand aktueller Forschung ist: pVHL ist Teil einer sogenannten E3-Ubiquitinligase und führt Proteine dem proteosomalen Abbau zu (Maxwell PH, Nature 399:271-275, 1999). Dabei bindet pVHL das jeweilige Zielprotein. An dieses wird daraufhin mehrfach das kleine Markerprotein Ubiquitin anknüpft, das als Signal für die Degradationsmaschinerie der Zelle, das sogenannte Proteasom, dient. Dort werden ubiquitinierte Proteine rasch abgebaut. Die bekanntesten Zielproteine, die pVHL-abhängig abgebaut werden, sind die Mitglieder der HIF-Proteinfamilie (Hypoxie induzierbare Faktoren; Gordan JD, Curr Opin Genet Dev 17:71-77, 2007). Diese werden in der Zelle unter Normoxie strikt kontrolliert und kontinuierlich abgebaut. Unter Hypoxie und beim Verlust von pVHL steigt ihr Expressionsspiegel an, und sie führen als Transkriptionsfaktoren zur Expression verschiedener Gene, die die Angiogenese, Erythropoese und Zellproliferation steigern. Auch wenn dieser Signalweg manche Phänomene des von Hippel-Lindau-Syndroms zu erklären vermag, war die Pathogenese des Nierenzellkarzinoms bis vor kurzem vollkommen unverstanden.
Zysten und Zilien
Beim von Hippel-Lindau-Syndrom entwickelt sich ein Nierenzellkarzinom sehr häufig aus zystischen Veränderungen der Niere, die an andere Zystenerkrankungen der Niere, wie etwa die autosomal dominante polyzystische Nierenerkrankung (ADPKD), erinnern (Chatha RK, Am J Kidney Dis: 37:852-858, 2001). Die molekulare Pathogenese von Zystennieren wird immer besser verstanden. Dabei konzentriert sich die Aufmerksamkeit der Grundlagenforschung auf ein Organell an der apikalen Seite jeder Tubulusepithelzelle: das primäre Zilium. Zilien sind von Zellmembran umhüllte Ausstülpungen der Zelle, die eine typische ringförmige Anordnung von Mikrotubulussträngen enthalten. Sie sind mit dem Basalkörper, der sich aus dem Zentrosom bildet, an der Zelloberfläche verankert und ragen mit ihrem Schaft ins Tubuluslumen. Die Existenz dieser haarartigen Organellen in der Niere ist seit langem bekannt, allerdings rückte das Monozilium erst in der vergangenen Dekade in den Mittelpunkt des Interesses der Nierenforschung. In dieser Zeit wurden für viele hereditäre Zystenerkrankungen der Niere ursächliche Gendefekte identifiziert und es zeigte sich, dass die beteiligten Proteine in Zilien der Nierenzellen lokalisiert sind. Die Rolle des Ziliums in der Niere wird immer besser verstanden. Man vermutet einerseits, dass das Zilium den Fluss im Tubuluslumen messen und so als Mechanosensor fungieren könnte, andererseits wird angenommen, dass das Zilium unabhängig von mechanischen Reizen als eine Art "Antenne" für Signalmoleküle dient und so Informationen ins Zellinnere leitet (Übersicht in: Benzing T, Curr Opin Nephrol Hypertens 15, 245-249, 2006).
pVHL und renale Zilien
Da Mutationen von VHL zur Entstehung von Nierenzysten führen, wurde in einer aktuellen Studie die Funktion und Lokalisation von pVHL in Tubulusepithelzellen der Niere untersucht (Schermer B, J Cell Biol 175:547-554, 2006). Es konnte gezeigt werden, dass pVHL im Zilium von Nierenzellen lokalisiert (vgl. Abb. 1). Interessanterweise führt der Verlust von pVHL, z. B. durch Gendeletion, zum Verlust von Zilien. Das Wiedereinschleusen von VHL mittels lentiviralem Gentransfer konnte diesen Defekt beheben: Die Zellen bilden zum großen Teil wieder Zilien aus. Umgekehrt wurde in kultivierten, normalerweise ziliierten Nierenepithelzellen mit lentiviraler RNAi-Technik pVHL herunterreguliert, was wiederum zum Verlust der Ziliogenese führte. pVHL hat also eine wichtige Funktion bei der Entstehung von Monozilien im Nierenepithel. Warum wird pVHL zur Zilienbildung benötigt? Es konnte gezeigt werden, dass pVHL essentiell an der Kontrolle der Wachstumsrichtung von Mikrotubuli beteiligt ist, der Struktur also, die als Skelett des Ziliums dient. pVHL bildet einen Komplex mit Polaritätsproteinen und kontrolliert so die Ziliogenese (Schermer B, J Cell Biol 175:547-554, 2006).
Zilien und Tumorentstehung
Können diese neuen Ergebnisse zur Klärung der Frage beitragen, wie es durch den Verlust von pVHL zur Entstehung des Nierenzellkarzinoms kommt? In den genannten Studien wurde pVHL erstmals mit dem Zilium von Nierenzellen in Verbindung gebracht. Seit langem ist jedoch die Verbindung von Zilien und Zellzyklus bekannt: Zilien werden in der G0-Phase gebildet, also der Phase des Zellzyklus, in der die Zelle ruht bzw. ausdifferenziert (Quarmby LM, J Cell Biol 169:707-710, 2005). Dabei entwickelt sich aus einer Zentriole des Zentrosoms der Basalkörper des Ziliums und daraus das Monozilium. Im Fall eines erneuten Eintritts in die Mitose wird das Zilium resorbiert, das Zentrosom verdoppelt sich und die beiden Zentrosomen bilden die Pole der Teilungsspindel. Somit ist es gut vorstellbar, dass die fehlende Ausbildung einer Zilie in der G0-Phase Auswirkung auf die Proliferationsrate von Zellen hat. In Nierenzysten ist in den Epithelzellen, die die Zysten auskleiden, die Proliferationsrate erhöht. Allerdings kommt es bei den meisten zystischen Nierenerkrankungen, wie z. B. der ADPKD, nicht zur vermehrten Entstehung eines Karzinoms. Es müssen also noch zusätzliche Mechanismen an der Krebsentstehung beteiligt sein (Kühn EW, Cancer Res 67:4537-4540, 2007). Weitere molekulare Analysen zur Funktion von pVHL werden sicherlich auch diese Lücke im Verständnis der Pathogenese des Nierenzellkarzinoms in der Zukunft noch schließen können und helfen, neue Therapiestrategien zu entwickeln. Wir sind sicherlich dem Verständnis des Nierenzellkarzinoms einen Schritt näher gekommen.
PD Dr. Bernhard Schermer
Prof. Dr. Thomas Benzing
Klinik IV für Innere Medizin,
Uniklinik Köln, Köln