Chen, L.

Herrlich, P.

Morrison, H.

Orian-Rousseau, V.

Ponta, H.

KITopen

Ein Schalter: Ein/Aus – das istuns geläufig. Das gibt es nicht nurbei technischen Geräten, son-dern auch in menschlichen Zel-len. Eine Immunantwort muss an-gestellt und später wieder abge-stellt werden. Wir mobilisierenGlukose in der Leber, wenn wirEnergie für einen Marathonlaufbenötigen, und schalten die Frei-setzung ab, wenn wir es endlichgeschafft haben und uns von denStrapazen erholen. Aber es gibtbei technischen Geräten auchkompliziertere Schalter, denkenwir an den Programmschalter beiRadio- oder Fernsehgeräten, deruns erlaubt, zwischen verschie-denen Programmen zu wählen.Wir haben einen solchen biologi-schen Schalter, der unterschiedli-che genetische Programme an-steuert, identifiziert. Seine Funkti-on wird hier geschildert. Es ist nun schon 15 Jahre her,dass uns der damalige Mitarbei-ter des Deutschen Krebsfor-schungszentrums in Heidelberg,Prof. Siegfried Matzku, mit seinenAnstrengungen, metastatischeTumoreigenschaften zu identifi-zieren, konfrontierte. Daraus wur-de eine Kollaboration undschließlich ein Projekt mit demZiel, Proteine zu identifizieren,die entscheidende Funktionen imProzess der Metastasierung vonTumorzellen ausüben. Nach an-fänglichen Fehlschlägen habenwir schließlich mit der Beschrei-bung eines der ersten metasta-senspezifischen Proteinen mitdem Namen CD44v in der Meta-stasenforschung einen entschei-denden Durchbruch erzielt [1].Ein Indikator für die Bedeutungvon CD44 ist die Publikati-onstätigkeit seit unserer Erst-Be-schreibung, die exponentiell zu-genommen hat und inzwischenbei mehr als 5.000 Artikeln liegt.Ein wesentlicher Grund für diesesbreite Interesse liegt im Bedarf angeeigneten Metastasenmarkern,die für Diagnose und/oder Thera-pie eingesetzt werden können.Die ersten klinischen Studienzum Einsatz von Antikörpern, diespezifisch menschliche CD44vProteine erkennen, laufen bereitsseit einem Jahr und scheinen er-folgversprechend zu sein.Eines unserer zentralen Zielenach der Identifizierung vonCD44v als metastasenspezifi-sches Protein war, seine Funktionin diesem Prozess zu verstehen.Dass dies ein schwieriges Unter-fangen wurde, hängt mit drei Fak-toren zusammen. Zum einenkonnten wir aus der Primärse-quenz, also der Abfolge von Ami-nosäuren, die das Protein auf-bauen und die wir aus der Nu-kleotidsequenz ableiten konnten,keine Schlüsse auf seine Funktio-nen ziehen, etwa auf Grund ähn-licher Sequenzen mit Proteinen,deren Funktion man bereitskennt. Die Primärsequenz ließ le-diglich den Schluss zu, dass essich um ein Transmembranpro-tein handelt, mit einem intrazel-lulären, zytoplasmatischen Pro-teinanteil, einem Transmembran-abschnitt und einem relativgroßen extrazellulären Proteinan-teil (Abb. 1). Zum anderen ist derMetastasierungsprozess äußerstkomplex: Tumorzellen müssenaus dem Primärtumor absiedeln,durch Bindegewebe wandern, inLymph- oder Blutgefäße eindrin-gen, wieder auswandern und inneuem Gewebe überleben undwachsen. In all diesen Schritten,die in der Summe nur im Tiernachvollzogen werden können,kann CD44v wichtig und ent-scheidend sein. Und schließlichist CD44v die Umschreibung ei-nes komplexen Tatbestandes.CD44v bezeichnet nämlich eineganze Familie von Proteinen, dieaus der Kombination von 10 Gen-abschnitten durch einen Prozess,den man „alternatives Spleißen“bezeichnet, hervorgehen (sieheden Beitrag von Harald König).Nur einige der Proteine dieserCD44v Familie sind an der Meta-stasierung beteiligt, andere ha-ben wahrscheinlich Funktionen inanderen physiologischen oderpathologischen Prozessen. Dasbedeutet aber, dass unterschied-liche Funktionen durch die unter-schiedlichen CD44v’s ausgeübtwerden. Da aber die meisten Tu-morzellen mehrere CD44v’s tra-gen, fällt die Analyse und Zuord-nung schwer.Ein entscheidender Durchbruchbezüglich der Funktion vonCD44v gelang über die Kartie-rung von CD44v in normalem Ge-webe. Die Lokalität suggerierteFunktionen. Als prominentestesVorkommen von CD44v´s fiel derÜbergang von epithelialem zumesenchymalem Gewebe ins Au-ge. Während der Embryonalent-wicklung tragen zum Beispiel dieRandleistenzellen im Glied-maßenfeld CD44v. Die Funktiondieser Randleistenzellen (epithe-liale Zellen) besteht darin, dassdarunterliegende (mesenchyma-le) Zellen zur Vermehrung unddamit zur Ausbildung einer Glied-maßenknospe angeregt werden.Wenn man die Funktion vonCD44v auf diesen Randleisten-zellen (durch inhibierende Anti-36(36)Stop or Go – CD44 als Regulator essentieller zellulärer EntscheidungenH. Ponta, V. Orian-Rousseau, L. Chen, H. Morrison, P. Herrlich, ITGNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 34  1/2002  S. 36-40 körper) inaktiviert, können sichdie mesenchymalen Zellen nichtmehr vermehren. In aufwendigenExperimenten, in denen wir die-sen Wachstumsstimulus im Rea-genzglas nachgestellt und so derManipulation und Analyse zu-gänglich gemacht haben, konn-ten wir die Funktion von CD44v indiesem Prozess entschlüsseln:Die mesenchymalen Zellen tra-gen auf ihrer Oberfläche einenWachstumsfaktorrezeptor, derüber die Bindung eines Wachs-tumsfaktors aktiviert werdenmuss, damit es zur Zellvermeh-rung kommt. Dieser Wachstums-faktor wird von den Randleisten-zellen produziert. Er kann nunaber nicht direkt an seinen Re-zeptor binden, sondern benötigt37(37)Abb. 1: Schematische Darstellung der Funktion von CD44 als Korezeptor und Vermittler von Kon-taktinhibition. Das Bild zeigt einen Ausschnitt aus einer Zelle. Der Extrazellulärbereich ist vom In-trazellulärbereich (Zytoplasma) durch eine Zellmembran (Lipiddoppelschicht) getrennt. In der Zell-membran sind Transmembranproteine verankert. CD44 ist als buntes, ein Wachstumsfaktorrezep-tor ist als blaues Transmembranprotein dargestellt. Die meisten Wachstumsfaktorrezeptoren kom-men als Dimere vor. Die schwarzen „Seitenketten“ an CD44 symbolisieren Zuckerketten. Der linkeTeil der Abbildung zeigt CD44 als Teil eines ternären Komplexes, der zur Aktivierung von Signal-ketten führt. Die Signalketten gehen vom Wachstumsfaktorrezeptor aus (sie sind nicht gezeigt). DieAktivierung der Signalketten setzt Bindung eines „Ankerproteins“ an CD44 voraus, das das Zyto-skelett (Aktinfilamente) an die Membran verankert. Der rechte Teil zeigt den Konformationszustandvon CD44 (der Übergang ist durch die schwarzen Pfeile dargestellt), der nach Bindung einer Binde-gewebssubstanz zur Rekrutierung von Merlin führt. Merlin unterbindet Signaltransduktion, weshalbdie genetischen Programme für Zellvermehrung, Wanderung und Invasion nicht aktualisiert werdenkönnen.Wachstums-faktorWachstum, Wanderung, Invasion KontaktinhibitionBindegewebeWachstums-faktor-rezeptorZellmembranAnkerproteinMerlin  Zytoskelettgenetische ProgrammeSignaltransduktionintrazellulärextrazellulärCD44CD44 als Schalter genetischer ProgrammeCD44die Hilfe eines zweiten Proteins,CD44v, das ihn dem Rezeptor ingeeigneter Form anbietet. Auchdie molekularen Details dieserKo-Rezeptorfunktion wurden vonuns aufgedeckt [2]. Es ist einespezifische Modifikation vonCD44v durch Zuckerseitenketten(Heparansulfat), die eine ent-scheidende Rolle spielt. Damitwar es das erste Mal gelungen,den Beitrag eines CD44v Pro-teins zum Mechanismus einesphysiologischen Prozesses funk-tionell zu verstehen.Dieser Erfolg legte die Überle-gung nahe, dass CD44v vielleichtauch auf metastasierenden Tu-morzellen eine ähnliche Ko-Re-zeptorfunktion erfüllen könnte.Natürlich sind die Gegebenheitenauf Tumorzellen gänzlich andereals im Gliedmaßenfeld. Der Re-zeptor und sein Ko-Rezeptor(CD44v) müssten auf der glei-chen Zelle vorkommen. Außer-dem sind die CD44v-Proteine, diein der Metastasierung wichtigsind, andere als diejenigen, dieauf den Randleistenzellen vor-kommen. Andererseits gibt esviele unterschiedliche Wachs-tumsfaktorrezeptoren (und ent-sprechend Wachstumsfaktoren),deren Aktivität durchaus durchunterschiedliche Mechanismenreguliert werden könnte. Ein Re-zeptor an der Oberfläche, derZellwanderung, Invasivität, Ver-mehrung beeinflusst, könnte derrichtige Kandidat für die Wirkwei-se von CD44v sein. Aus Daten ei-nes U.S. Labors (van der Woude)und des Max Delbrück Zentrumsin Berlin (Carmen Birchmeier) istein solcher Rezeptor plausibel:cMet. cMet kommt einerseits aufden metastasierenden Tumorzel-len, auf denen wir ursprünglichCD44v identifiziert hatten, vorund wird andererseits auf Dick-darmtumoren vermehrt produ-ziert, für die das Auftreten vonCD44v ein Indikator für aggressi-ves Wachstum und Metastasie-rung ist. Für eine humane Dick-darmzelllinie war ein Beitrag vonCD44v zur Metastasierung voneiner anderen Arbeitsgruppe do-kumentiert worden. Tatsächlich war in beiden Zell-linien die Aktivierung des cMet-Rezeptors völlig von der Präsenzvon CD44v abhängig. Der Me-chanismus, wie CD44v in diecMet-Aktivierung eingreift, unter-scheidet sich allerdings wesent-lich von demjenigen der Glied-maßenentwicklung. Auf den Tu-morzellen ist es ein CD44v, dasnicht durch Heparansulfat modifi-ziert ist und es findet keine Prä-sentation von Zelle zu Zelle statt.Vielmehr bildet CD44v mit cMetund seinem Liganden einenternären Komplex, über den erstdie Aktivierung des cMet-Rezep-tors erfolgen kann. Wie sich die-ser Komplex bildet und welcheProteinteile von CD44v und descMet-Rezeptors und seines Li-ganden genau für die Ausbildungdes Komplexes benötigt werden,ist Teil unserer gegenwärtigenUntersuchungen. Diese Untersu-chungen sind auch von direkterpraktischer Relevanz, weil manaus dem Wissen die genaue In-teraktion mit niedermolekulareMoleküle ableiten kann, die dieseInteraktion verhindern und sovielleicht die Metastasierungblockieren können.Es genügt natürlich nicht, dassein Wachstumsfaktorrezeptor ander Zelloberfläche aktiviert wird,damit die Zelle sich vermehrtoder Wanderung und Invasionausgelöst wird. Vielmehr mussdas Signal – Aktivierung des Re-zeptors – in den Zellkern gelan-gen, wo das genetische Pro-gramm auf Vermehrung etc. um-geschaltet wird. Diese „Signal-transduktion“ erfolgt über eineReihe von intrazellulären Protei-nen, die ein Netzwerk von Ver-schaltungen bildet. Eine Kompo-nente nach der anderen wird akti-viert (in den meisten Fällen durchModifikation durch Phosphorylie-rung). Am Ende des Netzwerkswird ein Kernprotein aktiviert, dasje nach Rezeptor die Regulationvon Genen steuert, welche Zell-beweglichkeit, Wanderung, Inva-sivität oder Vermehrung bewir-ken. Die Signaltransduktionskas-kade, ausgehend vom aktiviertencMet-Rezeptor, ist gut bekannt.Welche Rolle spielt dabeiCD44v? Für die cMet-Aktivierunggenügte eine CD44v-Mutante,welche nur die extrazellulär-lie-gende Domäne enthält. Ein sol-ches Protein reicht aus, um denternären Komplex zu bilden. EineÜberraschung erlebten wir, alswir die vom aktivierten cMet-Re-zeptor ausgelöste Signalkaskadeuntersuchten. In der durch dieCD44v-Mutante ausgelöstencMet-Rezeptor-Aktivierung brachdie Signalweiterleitung ab unddas Signal gelangte nicht in denKern. Dies bedeutet, dass CD44vnoch eine zweite Rolle in dercMet-Signalkette spielt, für dieder intrazelluläre Teil von CD44vbenötigt wird. Wir nehmen an –und testen dies –, dass an die in-trazelluläre Domäne von CD44vein Protein binden muss, überdas dann die Signalkaskade läuft.Ein wahrscheinlicher Kandidat ist38(38)ein Protein, das das Zytoskelettder Zelle an der Zellmembranüber Bindung an Transmembran-proteine wie CD44 verankert(Abb.1). Eine Mutante vonCD44v, in der diese Bindefähig-keit gestört ist, kann ebenfallsdas Signal nicht weiterreichen,wie die Mutante ohne intrazellulä-re Domäne, ein Indiz, dass dieBindung des „Ankerproteins“ ent-scheidend für die Signalweiterlei-tung ist.Die Ko-Rezeptorfunktion vonCD44v für Wachstumsfaktorre-zeptoren wie cMet, die Zellwan-derung und Invasivität vermitteln,könnte eine gute Erklärung bie-ten, warum CD44v auf metasta-sierenden Tumorzellen vor-kommt. Interessanterweise gibtes aber Tumore, z. B. Neurobla-stome, Prostatakarzinome, einigeLymphome, in denen CD44 diegenau gegenteilige Rolle zu spie-len scheint: Diese Tumore ent-wickeln sich nur, wenn CD44nicht auf den Zellen vorkommt.Man bezeichnet solche Gene, de-ren Genprodukte (Proteine) aufTumoren abwesend sein müs-sen, damit sich der Tumor ent-wickelt, als Tumorsuppressorge-ne. In einer menschlichen Erb-krankheit namens Neurofibroma-tose Typ II (NFII) kommt es beiden betroffenen Patienten zumAuftreten von Tumoren des Ner-vensystems, überwiegend soge-nannte „Schwannome“. In diesenTumoren ist das Tumorsuppres-sorgen Merlin nicht mehr aktiv(siehe oben). Folgerichtig führtdie Aktivierung von Merlin in die-sen Tumorzellen zur Unter-drückung der Krebsbildung. DieVerbindung zu CD44 besteht nundarin, dass Merlin, ähnlich dem„Ankerprotein“, an Transmem-branproteine binden kann. Wiruntersuchten zwei Fragen: 1.Kann Merlin auch an CD44 bin-den? 2. Wenn ja, ist diese Bin-dung für die tumorsuppressiveWirkung von Merlin wichtig? DasBild, das diese Untersuchungenlieferten, ist folgendes [3]: Merlinkann tatsächlich, ähnlich dem„Ankerprotein“, an CD44 binden,allerdings nur unter bestimmtenphysiologischen Bedingungen,nämlich dann, wenn die Zellen„ausreichend dicht“ in Kultur ge-wachsen sind. Dann werdenPhosphatmodifikationen am Pro-tein entfernt, Merlin bindet anCD44 und unterbricht die Signal-transduktion in der Zelle. Als Kon-sequenz wird das genetischeProgramm der Zelle zur Vermeh-rung nicht aktiv und die Zellestoppt ihr Wachstum. Diesen Pro-zess bezeichnet man als Kontak-tinhibition – ein Vorgang, demKrebszellen nicht mehr unterlie-gen, sie können „unkontrolliert“wachsen. Woher „wissen“ dieZellen, dass sie dicht gewachsensind (im Tier ist dies wahrschein-lich das Erkennen von Gewebe-grenzen)? Auch hier spielt CD44die entscheidende Rolle. EineKomponente, die an den extra-zellulären Teil von CD44 bindenkann, ist eine Bindegewebssub-stanz. Die Konzentration dieserSubstanz, die von den Zellenselbst produziert wird, ist ent-scheidend. Ist diese Konzentrati-on hoch genug (bei hoher Zell-dichte), besetzt diese Substanzalle CD44-Proteine, die Bindungführt zu Konformationsänderungvon CD44, in der Folge zur Bin-dung von Merlin etc., siehe oben.Über diesen Mechanismus könn-te CD44 als Tumorsuppressorwirken.Wenn Merlin in Zellen nicht pro-duziert wird (z.B. in NFII-Patien-ten), dann ist klar, dass Kontak-tinhibition nicht funktioniert unddie Zellen zu Tumorzellen entar-ten können. In vielen Tumorzellenwird aber Merlin produziert, trotz-dem unterliegen sie nicht derKontaktinhibition und sind trans-formiert. Warum? Eine Erklärungkönnte darin liegen, dass in nor-malen Zellen bei Erreichen von„dichtem Wachstum“ Merlin nichtnur über Bindung an CD44 akti-viert wird, sondern auch die Men-gen an Merlin in der Zelle um dasDrei- bis Vierfache ansteigt. InTumorzellen bleibt die Merlinkon-zentration immer auf niedrigemNiveau. Zu verstehen, wie dieseMengenregulation von Merlin er-folgt, könnte ein Schlüssel dafürsein, die tumorsuppressive Wir-kung von Merlin in Tumorzellenzu aktivieren und dadurch derenWachstum zu hemmen. Jüngste Untersuchungen eineramerikanischen Arbeitsgruppe(McClatchey) zeigen, dass Merlinnicht nur entscheidend für dieKrebsentstehung, sondern auchfür die Bildung von Metastasenist. In Mäusen, in denen das NF2-Gen verändert ist und die keinMerlin bilden können, entwickelnsich nicht nur mehr Tumore, son-dern diese Tumore wachsen we-sentlich aggressiver und bildenvermehrt Metastasen. In diesemSinne könnte Merlin im Zusam-menwirken mit CD44 als „Meta-stasensuppressor“ wirken. CD44 kontrolliert also gegensätz-liche Prozesse in der Zelle (Abb.1). Einerseits Vermehrung, Wan-39(39)derung und Invasivität der Zellen(was zum Beispiel während derEmbryogenese oder während derWundheilung wichtig ist), als Ko-Rezeptor für Wachstumsfaktorre-zeptoren. Andererseits Vermeh-rungsstopp und Wanderungsar-rest (wenn Gewebegrenzen er-reicht sind oder Zellen in vitrodicht genug gewachsen sind)durch Bindung einer Bindege-webssubstanz und Rekrutierungvon Merlin. Wenn einer der Me-chanismen aus dem Lot gerät,kann es zur Tumorentstehungund Metastasierung kommen.Die molekularen Details dieserbeiden Prozesse werden uns zei-gen, an welchen Stellen in trans-formierten Zellen am einfachstenUmpolung zur „Normalität“ in ei-ner Tumorzelle erreicht werdenkann und so das Tumorwachstumund Absiedlung von Metastasengehemmt oder sogar unterbun-den werden kann.40(40)[1] U. Günthert, M. Hofmann, W. Rudy,S. Reber, M. Zöller, I. Haußmann,S. Matzku, A. Wenzel, H. Ponta,P. Herrlich, A new variant of glycoprotein CD44confers metastatic potential to ratcarcinoma cells. Cell 65, 13-24 (1991).[2] L. Sherman, D. Wainwright, H. Ponta,P Herrlich, A splice variant of CD44 expressed inthe apical ectodermal ridge presentsfibroblast growth factors to limbmesenchyme and is required for limboutgrowth. Genes Dev. 12, 1058-1071 (1998).[3] H. Morrison, L. S. Sherman, J. Legg,F. Banine, C. Isacke, C. A. Haipek, D. H. Gutmann, H. Ponta, P. Herrlich, The NF2 tumor suppressor geneproduct, merlin, mediates contactinhibition of growth throughinteractions with CD44. Genes Dev 15, 968-80 (2001).Literatur

Stop or go - CD44 als Regulator essentieller zellulärer Entscheidungen

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/120051697/3814197

Stop or go - CD44 als Regulator essentieller zellulärer Entscheidungen

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