Untersuchungen zum Verständnis oszillatorischer Mechanismen im Wechsel des Zellschicksals

Prof. Dr. Reet Kurg

Der Prozess, wie Krebszellen der Letalität nach einer Krebstherapie entkommen und einen Rückfall verursachen können, ist nicht gut erforscht. Behandelte Krebszellen erleiden so viele Schäden an der DNA, dass das System und seine Verpackung (d. h. das Chromatin im Zellkern) seine regulatorische Stabilität verliert. Da sich die menschlichen Zellen jedoch im Laufe der langen Evolution des Lebens entwickelt haben, sind die Überlebensprogramme im Genomgedächtnis gespeichert. Durch die Aktivierung der an die zelluläre Seneszenz gekoppelten Reprogrammierungskapazität können Krebszellen diese versteckten evolutionären Attraktoren erkunden und finden, um ihrer Situation zu entkommen. Auf diese Weise erreicht das System einen Bifurkationspunkt, an dem zwei Zellschicksale möglich sind: die Seneszenz, die einen nicht proliferierenden Zustand anhält, oder die Stammzellen, die die Zellentwicklung in einen proliferierenden, klonogenen Überlebenszustand umprogrammieren. Das Endergebnis dieses Prozesses ist ein stochastisches Ereignis, das von Kofaktoren abhängt, für die eine Zelle empfindlich sein kann. In früheren Untersuchungen der baltischen Gruppen (Tartu-Gruppe in Zusammenarbeit mit Dr. Erenpreisa, Riga) konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung eines Zellmodells des embryonalen Karzinoms, das mit Etoposid behandelt wurde, Zellen vor diesem Ausgang mehrere Tage lang zwischen Seneszenz und Selbsterneuerung schwanken. Diese Fluktuationen wurden mit einer von p53 abhängigen Hoch- und Herunterregulierung von zwei gegensätzlichen Zellschicksalregulatoren p21Cip1 (Seneszenz/Tod) und OCT4A (Stammzellenüberleben) in Verbindung gebracht, die sich wechselseitig moderieren (Huna et al., 2015). Dieser bi-potentielle Zustand bietet zusätzliche Zeit für die DNA-Reparatur, während die Zellen zwischen (Prä-)Seneszenz und Selbsterneuerung wechseln, und kehrt bei der Wiederherstellung in den endgültigen Ausgangszustand zurück. In einer früheren Arbeit zum gleichen Modell wurde festgestellt, dass der bi-potentielle Zustand durch DNA-Demethylierung im Heterochromatin und Methylierung im Euchromatin gekennzeichnet ist, wodurch die Phasentrennung zwischen beiden wahrscheinlich aufgehoben wird (Salmina et al., 2017). Der epigenetische Histonzustand im Hetero- und Euchromatin wurde in diesem Modell nicht untersucht und ist eine der Aufgaben des aktuellen Projekts.

Mit Hilfe der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie (SMLM) und mathematischen Auswertemethoden (Ripley-Punktdistanzstatistik, Persistente Homologie, Persistentes Imaging, Hauptkomponentenanalyse) zur Punktmusteranalyse spezifischer Fluoreszenzmarkierungen zeigten sich im Hetero- und Euchromatin charakteristische netzwerkartige Veränderungen des gesamten Chromatins in Zellkernen nach Strahlenbehandlung während der DNA-Reparatur (Gruppe Hausmann). Es konnte gezeigt werden, dass eine erfolgreiche DNA-Reparatur zu einer Schleife im 2D-topologischen Raum zweier Hauptkomponenten des Chromatinnetzwerks führt, die annähernd den Zustand von unbehandelten Zellen erreicht. Verbleibende Schäden oder erfolglose Reparaturen führen zu topologischen Fluktuationen oder im schlimmsten Fall zum Ausbrechen aus dieser Schleife in den beiden Hauptkomponentenräumen, d.h. die Schleife wird nicht zur Ausgangssituation hin geschlossen. Inwieweit Merkmale im Chromatinnetzwerk-Muster existieren, die entweder mit (Prä-)Seneszenz oder Pluripotenz und damit mit den oben beschriebenen Prozessen zusammenhängen, sind Forschungsfragen.

Das Verbundprojekt bündelt die Expertise der estnischen und der deutschen Gruppen. Das Projekt wird durch die Beratung von Dr. Erenpreisa (Emeritus Scientist) und Dr. T. Freivalds in Physik (Lettische Universität) stark unterstützt. Ziel ist es, Zellen des Modellzellsystems nach der Behandlung mit Etoposid in den fluktuierenden Zustand zu versetzen, den Zustand der Zellen vor, während und nach der Fluktuation zu bestimmen und diese Zustände mit der Chromatinorganisation zu korrelieren, die durch Bildanalyse der Phasentrennung mittels konfokaler Mikroskopie und Berechnungen topologischer Daten nach SMLM-Datenerfassung parametrisiert wird.

Direkte Zielgruppe:

Wissenschaftler/-innen, Doktorand/-innen, Masterstudierende, Bachelorostudierende, die an der Forschung und den Messungen beteiligt sind.

Indirekte Zielgruppe:

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, die durch Publikationen über die Ergebnisse erfahren. Studierende und Teilnehmende des Symposiums.