6.6 Epigenetik

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Autor/en: U. Mahlknecht
Letzte Änderung: 01.07.2008

6.6.1 Ansätze für eine epigenetische Diagnostik bei AML

Traditionell werden Leukämien aufgrund ihres Immunphänotyps, ihrer Morphologie und der vorliegenden zytogenetischen Veränderungen klassifiziert und behandelt. Nicht akzidentelle chromosomale Anomalien (Deletionen, Translokationen, Inversionen etc.) finden sich bei mehr als der Hälfte aller AML-Patienten und sind als unabhängige prognostische Faktoren von großer Bedeutung. Strukturelle genomische Alterationen können irreparabel zum Verlust von Chromosomenmaterial und damit u.a. zum Verlust wichtiger Genfunktionen führen (z.B. Verlust von Tumorsuppressorgenen), welche auf den weiteren Verlauf einer Leukämie Einfluss nehmen. Von strukturellen chromosomalen Veränderungen unabhängig und damit für die Routinemethoden der klassischen Zytogenetik nicht zugänglich, können Veränderungen vereinzelter Chromosomenabschnitte, welche für epigenetische Regulationsmechanismen kodieren, mit einer genomischen Repression (sog. Silencing) und damit dem Funktionsverlust einzelner Gene einhergehen. Die DNA-Methylierung und die posttranslationelle Modifizierung von Histonproteinen zählen zu den bekanntesten und am besten untersuchten epigenetischen Regulationsmechanismen, welche auf die Genexpression Einfluss nehmen, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz selbst zu verändern.

Während sich die Genetik mit der Funktion von DNA auf dem Boden ihrer unmittelbaren Sequenz und damit auch mit regulatorischen Sequenzen und ihrer Veränderbarkeit durch Mutationen beschäftigt, befasst sich die Epigenetik mit den der DNA-Sequenz übergeordneten Vorgängen, welche jenseits der Grundprinzipien der Genetik ablaufen und festlegen, ob die in einem Gen kodierte Information tatsächlich exprimiert werden soll oder nicht. Epigenetik determiniert damit nicht nur den funktionellen Phänotyp einer Zelle auf der Grundlage eines bestimmten Genexpressionsmusters, sondern auch wie und ob dieser Zustand von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.

Die klassische Vorgehensweise bei der Einteilung der AML nach morphologischen, immunphänotypischen und zytogenetischen Kriterien erscheint unter Berücksichtigung der zunehmenden Erkenntnisse auf dem Gebiet von Epigenetik und Molekularer Medizin, welche eine Trendwende von der cytarabinbasierten Einheitsbehandlung weg und hin zu spezifischen molekularen Therapien eingeleitet haben, welche definierte genomische Aberrationen, funktionelle und strukturelle Proteinalterationen sowie fehlregulierte zelluläre Signalkaskaden zum Ziel haben, als zusehends unzureichend [Morgan MA 2006] [Yoo CB 2006].

6.6.2 Epigenetische Regulation und Leukämogenese

Epigenetische Regulationsvorgänge sind insbesondere während der Zelldifferenzierung von herausragender Bedeutung. Eine Zelle differenziert nur dann korrekt aus, wenn an- und abgeschaltete Gene in ihrem Wechselspiel perfekt aufeinander abgestimmt und in der Lage sind, diese epigenetische Information an nachfolgende Zellgenerationen korrekt weiterzugeben (sog. genomisches Imprinting). Aus der Inaktivierung des zweiten weiblichen X-Chromosoms hat man gelernt, dass epigenetische Regulationsvorgänge nicht nur die Expression einzelner Gene bzw. Gengruppen regulieren, sondern durch Hypermethylierung von Cytosinresten zur Repression selbst ganzer Chromosomen führen können. Cytosinreiche Regionen (sog. CpG-Inseln) finden sich bei etwa der Hälfte aller menschlichen Gene, bevorzugt in der Umgebung von Promotoren, welche für die Regulation der Aktivität eines Gens maßgeblich sind. Werden solche CpG-Inseln nun durch die enzymatische Aktivität von DNA-Methyltransferasen hypermethyliert, kommt es zu einer Blockade der Expression des entsprechend nachgeschalteten Gens (sog. transkriptionelles Silencing). DNA-Methyltransferasen werden von AML-Zellen typischerweise stärker exprimiert als normalerweise im Knochenmark. Ihre enzymatische Aktivität ist für die Repression zahlreicher Signalwege, welche für die Regulation von Zellproliferation, Differenzierung und Apoptose in myeloischen Blasten verantwortlich sind, von herausragender Bedeutung. Eine ausgeprägte Expression geht bei der AML mit einer ungünstigen Prognose einher. Inzwischen hat man erkannt, dass auch mit zunehmender Seneszenz vermehrt eine aberrante CpG-Methylierung auftritt. Die epigenetische Information wird auf diese Weise mit zunehmender Zellalterung instabil und begünstigt damit die maligne Transformation einer Zelle bzw. die Leukämogenese [Mizuno S 2001].

6.6.3 Silencing durch DNA-Hypermethylierung und Histon-Deacetylierung

Das Methylierungsmuster genomischer DNA ist bei zahlreichen malignen Erkrankungen verändert. Dabei kann genomische DNA neoplatischer Zellen insgesamt demethyliert sein, während promotorassoziierte CpG-Inseln hypermethyliert sind. Über diesen Mechanismus können beispielsweise Gene mit normaler Tumorsuppressorfunktion abgeschaltet werden. Umgekehrt können innerhalb demethylierter Chromatinabschnitte befindliche Gene (z.B. Transposons, sog. springende Gene, oder Insertionen viraler Sequenzen) aktiviert werden und entsprechend zur Destabilisierung des Genoms und damit zur malignen Zelltransformation beitragen oder die zelluläre Apoptose einleiten. In vitro werden hypermethylierte Gene anfangs zwar häufig noch exprimiert, nach wenigen Stunden bildet sich aber um die methylierten Stellen herum ein kompaktes Chromatingerüst, welches die Zugänglichkeit genomischer DNA für regulierende Elemente, welche für die normale Genexpression benötigt werden, verhindert. Die Mechanismen, wie eine CpG-Methylierung zum Silencing ganzer Chromosomenabschnitte führt, sind gegenwärtig zwar weitgehend unklar, es gilt aber als allgemein anerkannt, dass die Chromatinarchitektur und die Modifizierung von Histonproteinen dabei eine wichtige Schlüsselrolle spielen: Wird transkriptionell aktive (d.h. für Transkriptionsfaktoren zugängliche) Chromatin-DNA hypermethyliert, bindet MeCP2, ein Transkriptionsrepressor, an diese methylierte DNA und rekrutiert weitere Ko-Repressorproteine sowie Histon-Deacetylasen, welche letztlich Histonproteine deacetylieren und damit die Transkription blockieren [Mahlknecht U 2003] [Mei S 2004].

6.6.4 Methylierungsmuster und AML-Subgruppen

Bei der AML konnte eine Hypermethylierung folgender Gene nachgewiesen werden (vgl. Tab. 6.9):

• p14, p15 und p16 (alles Cyclininhibitoren)
• ER (Östrogenrezeptor)
• RARβ2 (Retinolsäurerezeptor β)
• p73 (Tumorprotein p73)
• HIC (hypermethyliertes Krebsgen - Hypermethylated in cancer)
• E-Cadherin
• WT1 (Wilms-Tumor-Gen)
• DAP-K (zelltodassoziierte Proteinkinase - Death associated protein kinase)
• Jun-B (ein Onkogen)
• SOCS-1 (Suppressor von Zytokinsignalen 1 - Suppressor of cytokine signaling)
• MYOD1 (myogenes Differenzierungsantigen 1)
• MGMT (Methylguanin-DNA-Methyltransferase)
• ARP1 (ALL1-responsives Gen)
• GPR37 (G-Protein-gekoppelter Rezeptor 37)
• MDR1 ("Multidrug"-Resistenzgen 1)
• MLH1
• ID4 (Inhibitor für die DNA-Bindung)
• SDC4 (Syndecan 4)

Bemerkenswerterweise korreliert das Methylierungsmuster einer Reihe dieser Gene nicht nur mit den jeweiligen AML-Subgruppen, sondern scheint auch als prognostischer Marker für therapierefraktäre AML-Verläufe bzw. als Indikator für eine sekundäre AML von Bedeutung zu sein. Es ist allerdings gegenwärtig nicht klar, ob eine Hypermethylierung dieser Gene als zuverlässiger Biomarker für die Stratifizierung von Patienten bezüglich einer Behandlung mit demethylierenden Substanzen verwendet werden kann [Uehara E 2003].

6.6.5 Stellenwert der Histon-Acetylierung

Das intrazelluläre Acetylierungsgleichgewicht wird durch die enzymatischen Aktivitäten von Histon-Acetyltransferasen (HAT) und -Deacetylasen (HDAC) aufrechterhalten. Während eine Hypoacetylierung von Histonproteinen mit einer reduzierten Expression von Zielgenen einhergeht, ermöglicht eine Hyperacetylierung von Histonproteinen DNA-Regulatoren und Transkriptionsfaktoren den Zugang zu nukleosomalen DNA-Strukturen und geht daher mit einer verstärkten Genexpression einher. Aus der Aneinanderreihung modifizierter und unmodifizierter Histonproteine ergibt sich durch die Ladungsunterschiede eine Sequenz von On-off-Signalen, welche der genetischen Information auf DNA-Ebene übergeordnet ist und festlegt, welche Gene für die Transkription "zugelassen" werden. Diese im Chromatingerüst festgelegte Information wird als "Histon-Code" oder auch "epigenetischer Code" bezeichnet. Bei der Promyelozytenleukämie - AML t(15;17) bzw. t(11;17) (etwa 7% aller AML-Fälle) - sowie bei der AML t(8;21) (etwa 12% aller AML-Patienten) entstehen durch chromosomale Translokation typischerweise neue Fusionsproteine, welche zwar wie ein normaler Transkriptionsfaktor noch am Promotor ihrer Zielgene binden, deren Expression allerdings verhindern, weil sie nicht mehr wie in einer gesunden Zelle transkriptionsfördernde, sondern supprimierende Elemente (HDAC) binden, wodurch es zu einem Differenzierungsblock und zur Akkumulation von Blasten im peripheren Blut, also zur Leukämie kommt (vgl. Tab. 6.10). Wird nun durch den Einsatz demethylierender Substanzen bzw. von HDAC-Inhibitoren die Aktivität der HDAC verhindert, so können stillgelegte Gene reaktiviert und damit Blastenzellen zur normalen Ausreifung gebracht werden [Mahlknecht U 2003] [Mei S 2004].

6.6.6 Ansätze für eine epigenetische Therapie der AML

Bei zahlreichen hämatologischen und onkologischen Neoplasien konnte eine aberrante Methylierung in den Promotorregionen tumorassoziierter Gene nachgewiesen werden, deren Expression supprimiert wurde. Mit dem Ziel, diese Promotorhypermethylierung rückgängig zu machen, wurde eine Reihe von DNA-Methyltransferase-Inhibitoren entwickelt. Zu den effektivsten und am besten untersuchten Inhibitoren der DNA-Methylierung zählen das 5-aza-2′-Deoxycytidin (Decitabine) und das 5-Azacytidin (Vidaza), welche in der Lage sind, die Expression zahlreicher "supprimierter" Gene zu reaktivieren. Die therapeutische Wirksamkeit dieser Medikamente wurde in einer Reihe klinischer Studien speziell bei Patienten mit AML, myelodysplastischen Syndromen sowie chronischer myeloischer Leukämie eindrücklich gezeigt [Issa JP 2004] [Kantarjian HM 2003] [Silverman LR 2002] [Wijermans P 2000].

Die Inhibition von HDAC stellt einen weiteren neuartigen Ansatz in der epigenetischen Behandlung maligner Neoplasien dar. Die gegensätzlichen Aktivitäten zweier Enzymgruppen, der HAT und der HDAC, kontrollieren Ausmaß und Art der Histonacetylierung. In normalen Zellen besteht zwischen den enzymatischen Aktivitäten von HAT und HDAC gewissermaßen ein Gleichgewicht, welches für das jeweils zellspezifische Genexpressionsmuster mitverantwortlich ist. Für einige prämaligne oder maligne Erkrankungen, z.B. myelodysplastische Syndrome, sekundäre akute myeloische Leukämien, Lymphome und mehrere solide Tumoren (kolorektale Karzinome, Mammakarzinom u.a.), konnten Mutationen von HAT bzw. eine aberrante Rekrutierung von HDAC gezeigt werden. Damit wird das Gleichgewicht zwischen HAT- und HDAC-Aktivität gestört, und es kommt es zur Änderung des Genexpressionsmusters und damit ggf. zum Differenzierungsblock, zum Zellzyklusarrest oder zur Apoptoseinduktion. Inzwischen sind mehrere, sehr unterschiedliche HDAC-Inhibitoren entwickelt worden, welche durch Inhibition der HDAC-Aktivität auf die Regulation der Expression spezifischer Gene Einfluss nehmen. Von zunehmendem Interesse ist derzeit auch die Kombination demethylierender Substanzen mit HDAC-Inhibitoren, da die partielle Demethylierung einiger Gene mit HDAC-Inhibitoren synergistisch eine Reaktivierung von Genen bewirken kann, die zuvor gegenüber HDAC-Inhibitoren unempfindlich waren.

Erste Erfahrungen mit den neuen "Differenzierungstherapeutika" sind sowohl bei der Therapie akuter Leukämien als auch bei der Behandlung solider Tumoren durchaus vielversprechend. Die Euphorie wird jedoch stark durch die fehlende Spezifität und ein nicht unerhebliches Nebenwirkungsspektrum der Substanzen limitiert. Ferner sind Funktion und Verhalten epigenetischer Regulatoren innerhalb der Zelle weitgehend unaufgeklärt, und es ist noch völlig unklar, ob und inwieweit bereits existierende erfolgreiche Chemotherapieregimes durch noch experimentelle Differenzierungstherapeutika, welche den intrazellulären Acetylierungs- bzw. Methylierungsstatus beeinflussen (vgl. Tab. 6.11), ersetzt oder ergänzt werden können und welche Langzeitwirkungen von diesen neuen molekularen Therapiestrategien zu erwarten sind [Mahlknecht U 2003] [Mei S 2004].

Herausgeber: Prof. Dr. H. Link
Herausgeberbeirat: Prof. Dr. P. Albers, Prof. Dr. R. Andreesen, Priv.-Doz. Dr. A. Böhme, Prof. Dr. C. Bokemeyer, Prof. Dr. U. Creutzig, Prof. Dr. G. Ehninger, Prof. Dr. M. Freund, Prof. Dr. C. Garbe, Dr. N. Gökbuget, Prof. Dr. M. Hallek, Prof. Dr. J.T. Hartmann, Prof. Dr. R. Hehlmann, Prof. emerit. Dr. H. Heimpel, Prof. Dr. A. Hochhaus, Prof. Dr. K. Höffken, Dr. G. Hübner, Prof. Dr. Th. Junginger, Priv.-Doz. Dr. U. Kaiser, Priv.-Doz. Dr. R. Kath, Prof. Dr. C.-H. Köhne, Prof. Dr. A. Matzdorff, Prof. Dr. R.-P. Müller, Prof. Dr. J. Preiß, Prof. Dr. H.-J. Schmoll, Prof. Dr. G. von Minckwitz