Noncoding regulatory mutations contribute to the aberrant gene expression profile of neuroblastomas

Krebs beginnt, wenn die Anweisungen innerhalb einer Zelle fehlerhaft ablaufen und dazu führen, dass sie unkontrolliert wächst. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach diesen Fehlern, indem sie die proteincodierenden Abschnitte des Genoms lesen – jene Teile der DNA, die als Baupläne für den Aufbau der Maschinerie des Körpers dienen. Doch bei einer spezifischen und tödlichen Kinderkrebsart namens Neuroblastom, das in den Nebennieren oder entlang der Wirbelsäule entsteht, erscheinen diese traditionellen Baupläne jedoch oft überraschend sauber. Forscher haben in den proteinbildenden Genen von Hochrisikotumoren nur sehr wenige wiederkehrende Fehler gefunden. Dieses Schweigen in den codierenden Regionen deutet darauf hin, dass die wahren Übeltäter sich woanders verstecken könnten, in den riesigen DNA-Abschnitten, die nicht für Proteine codieren, sondern stattdend als Schalter, Dimmer und Lautstärkeregler für die Gene fungieren. Diese nicht-codierenden Regionen bestimmen, wann und wie stark ein Gen an- oder ausgeschaltet wird, und wenn sie beschädigt sind, kann sich das Verhalten der Zelle genauso drastisch ändern, als wäre ein Bauplan zerrissen worden.

Ein Forschungsteam der University of Alabama at Birmingham machte sich daran, diese verborgenen Fehler im Neuroblastom zu finden. Sie konzentrierten sich auf ein Phänomen namens allelspezifische Expression, die auftritt, wenn eine Zelle eine Kopie eines Gens anders verwendet als die andere. Bei einem gesunden Menschen produzieren die zwei Kopien eines Gens normalerweise ähnliche Mengen an Protein. Aber bei Krebs kann eine Mutation, die den Schalter steuert, der eine Kopie kontrolliert, dazu führen, dass diese Kopie entweder stummgeschaltet oder überaktiv ist, während die andere normal bleibt. Durch den Vergleich der Aktivität dieser Genpaare in Tumorproben gegenüber gesundem Nebennierengewebe konnten die Wissenschaftler genau bestimmen, welche Gene vom Krebs fehlgesteuert werden. Sie stellten dann eine entscheidende Frage: Wurden diese fehlgesteuerten Gene durch großflächige chromosomale Verluste oder Gewinne vorangetrieben, die in dieser Krankheit häufig vorkommen, oder wurden sie durch winzige, spezifische Mutationen in den nicht-codierenden regulatorischen Schaltern angetrieben?

Die Forscher analysierten genetische Daten von 156 Kindern mit Neuroblastom und verglichen diese mit 220 Proben von normalem Nebennierengewebe. Sie identifizierten 1.363 Gene, die dieses spezifische Muster der Fehlsteuerung nur in den Tumoren zeigten. Diese Gene waren nicht zufällig; sie waren stark an der Entwicklung des sympathischen Nervensystems und des adrenergen Zellzustands beteiligt, was die spezifische Identität ist, die Neuroblastomzellen oft annehmen. Während viele dieser fehlgesteuerten Gene tatsächlich mit großen chromosomalen Fehlern verknüpft waren, entdeckte das Team eine signifikante Gruppe, die in Regionen des Genoms mit normalen Kopienzahlen lebte. Dieser Befund war entscheidend, da er bewies, dass etwas anderes als großflächige chromosomale Schäden diese Gene funktionell gestört hatte.

Bei tieferer Untersuchung dieser kopienzahlneutralen Regionen fanden die Wissenschaftler, dass die fehlgesteuerten Gene von einer höheren Dichte an somatischen Mutationen umgeben waren – neuen genetischen Fehlern, die im Tumor entstehen, aber nicht vererbt werden. Diese Mutationen waren nicht wahllos verstreut; sie konzentrierten sich in offenen Chromatinregionen, also jenen Teilen der DNA, die in Neuroblastomzellen zugänglich und aktiv sind. Die Forscher nutzten dann Computermodelle, um vorherzusagen, wie diese Mutationen die Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren beeinflussen, jene Proteine, die als Hauptschalter fungieren, um Gene an- oder auszuschalten. Sie fanden heraus, dass diese Mutationen häufig die Bindungsstellen für einen spezifischen Transkriptionsfaktor namens GATA3 störten.

GATA3 ist ein Schlüsselregulator, der hilft, die adrenerge Identität von Neuroblastomzellen aufrechtzuerhalten. Die Studie zeigte, dass, wenn die nicht-codierenden Mutationen die GATA3-Bindungsstellen in der Nähe bestimmter Gene unterbrachen, diese Gene oft zum GATA3-Regulationsnetzwerk gehörten. Ein bemerkenswertes Beispiel war ein Gen namens KMT2C, das als Tumorsuppressor wirkt. Die Forscher fanden heraus, dass Tumore mit Mutationen in den nicht-codierenden Regionen nahe KMT2C, welche die GATA3-Bindung störten, signifikant niedrigere Mengen des KMT2C-Proteins aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass die Krebszellen diese winzigen, nicht-codierenden Mutationen nutzen, um ein schützendes Gen auszuschalten und so die natürlichen Abwehrmechanismen der Zelle effektiv zu entwaffnen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass nicht-codierende regulatorische Mutationen ein bedeutender, aber oft übersehener Treiber des Neuroblastoms sind. Indem sie sich darauf konzentrierten, wie Gene exprimiert werden, anstatt nur nach defekten Protein-Bauplänen zu suchen, deckten die Forscher eine neue Ebene genetischer Komplexität auf. Sie demonstrierten, dass diese Tumore oft auf subtile Veränderungen der Schalter angewiesen sind, die die Genaktivität steuern, insbesondere jene, die durch GATA3 gesteuert werden, um ihr Wachstum und Überleben voranzutreiben. Diese Arbeit liefert eine neue Landkarte für das Verständnis der Entstehung des Neuroblastoms und legt nahe, dass zukünftige Behandlungen möglicherweise eher diese regulatorischen Schalter als nur die proteincodierenden Gene ins Visier nehmen müssen.