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Klinik für Innere Medizin IHämatologie, Onkologie und Stammzelltransplantation

Zellzyklusregulation

Arbeitsgebiet

Die Bedeutung der Anaphase-Promoting-Komplex (APC)-abhängigen Proteolyse von Regulatoren des Zellteilungszyklus in normalen und malignen humanen Zellen


Mitarbeiter

Daniel Ewerth
(Doktorand)
daniel.ewerth@uniklinik-freiburg.de
Julia Felthaus
(BTA)
julia.felthaus@uniklinik-freiburg.de
Dr. Christine Greil
(Postdoktorandin)
christine.greil@uniklinik-freiburg.de
Andrea Schmidts
(cand. med.)
andrea.schmidts@uniklinik-freiburg.de

1. Einführung

Die Untersuchung der molekularen und zellulären Unterschiede zwischen gesunden Zellen und Tumorzellen dient dazu, nach spezifischen therapeutischen Angriffspunkten in Tumorzellen zu suchen. Bösartige Tumore sind häufig durch eine ungeregelte Proliferation und eine gestörte Differenzierung gekennzeichnet. Dabei stellen Veränderungen in der Kontrolle des Zellteilungszyklus einen bedeutenden Unterschied zwischen gesunden und Tumorzellen dar. Durch Untersuchung von Zellzyklusmolekülen wollen wir die Entstehung bösartiger Tumore besser verstehen und neue prognostische Parameter und therapeutische Angriffspunkte zur verbesserten Krebsbehandlung identifizieren.

2. Der Zellteilungszyklus

Der Zellteilungszyklus dient der Verdopplung des genetischen Materials und der gleichmäßigen Verteilung auf die Tochterzellen. Treten dabei Fehler auf, so können genetisch instabile Zellen entstehen. Genetische Instabilität ist ein Merkmal der meisten Krebszellen und trägt wahrscheinlich zu ihrer Entstehung bei.

Der Zellzyklus lässt sich in vier unterschiedliche Phasen unterteilen: die G1-Phase, die S-Phase, die G2-Phase und die Mitose. In der G1-Phase besteht für die Zelle die Möglichkeit, entweder einen erneuten Zellteilungszyklus zu durchlaufen, in eine Ruhephase (G0) oder in einen Differenzierungsprozess einzutreten. Die G1-Phase dient der Vorbereitung auf die bevorstehende Replikation des genetischen Materials. Die DNA-Verdopplung findet in der folgenden S-Phase statt. Das Vorliegen von DNA-Schäden kann zu einer Verzögerung der Zellzyklusprogression in G2-Phase führen, um defekte DNA vor dem Eintritt in die Mitose zu reparieren. In der Mitose kommt es zur Chromosomentrennung und gleichmäßigen Verteilung der Chromosomen auf die beiden Tochterzellen, die nach der abschließenden Zytokinese entstehen.

3. Zellzykluskontrolle

Der Durchlauf dieser verschiedenen Zellzyklusphasen wird wesentlich durch die Aktivität sogenannter Cyclin-abhängiger Kinasen (Cdks) reguliert. Diese sind im Verbund mit ihren aktivierenden Untereinheiten, den Cyclinen, aktiv. Die Cycline verdanken ihrer zyklischen Expression den Namen. Sie werden in einem genau definierten Zeitfenster exprimiert und führen während dieser Zeit zur Aktivierung der entsprechenden Cdks. Darüber hinaus spielt die Degradation der Cycline eine wichtige Rolle für das Abschalten der Cdks. Abgesehen von der Cyclinexpression können Cdks durch Phosphorylierung entweder aktiviert oder inhibiert werden. Aufgrund der großen Wichtigkeit der genau definierten Cyclinexpression existieren Mechanismen, um Cycline punktgenau zu eliminieren. Auch die Aktivität von anderen wichtigen Zellzyklusregulatoren, wie die Aurora und Polo-like Kinasen werden auf diese Weise reguliert.

4. Der Anaphase-Promoting Complex (APC/C)

Der gezielte Abbau dieser Regulatorproteine ist somit ein essenzieller Mechanismus zur kontrollierten Zellteilung. Für die gesteuerte Degradierung durch das Proteasom müssen die Zielproteine mit einer Ubiquitinkette markiert werden. Die Ubiquitinierung wird durch verschiedene spezifische Ubiquitinligasen vermittelt, von denen im Zellzyklus zwei wesentlich sind: der SCF (Skp-Cullin-F-Box) und der Anaphase-Promoting Complex / Cyclosome (APC/C). Der APC/C besteht aus mindestens zwölf verschiedenen Untereinheiten und übernimmt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle von Mitose und der G1-Phase. Cdh1 und Cdc20 sind die aktivierenden Untereinheiten des APC/C.
Verschiedene Zielproteine des APC/C sind bei einer Vielzahl von Tumoren erhöht exprimiert und dabei kann der fehlerhafte Abbau eine Rolle spielen. Der Proteasominhibitor Bortezomib hat einen wichtigen Stellenwert in der Therapie des Multiplen Myeloms und die Mitose-regulierenden Kinasen Polo-like- oder Aurora-Kinasen sind APC/C-Substrate und z. B. bei der akuten myeloischen Leukämie Angriffspunkte für neue gezielte Therapieansätze. Die Funktion des APC/C und der Einfluss auf die Vielzahl seiner Zielproteine in gesunden und malignen Zellen ist deshalb ein Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe.

In der Mitose kontrolliert der APC/C aktiviert durch Cdc20 (APC/C-Cdc20) den Spindel-Checkpoint. Dieser Checkpoint stellt die fehlerfreie Anheftung der Mitosespindel an die Chromosomen sicher und damit die fehlerfreie Chromosomentrennung. Treten hierbei Fehler auf kann es zur Chromosomenfehlverteilung und Aneuploidie kommen, ein Merkmal der meisten bösartigen Tumorzellen.

Aktuelle Forschungsergebnisse von uns und anderen Arbeitsgruppen haben gezeigt, dass der APC/C-Aktivator Cdh1 ein Tumorsuppressor ist. Diese Untersuchungen belegen zunehmend, dass Cdh1 eine bedeutende Rolle in der Kontrolle von Proliferation, Differenzierung und dem Erhalt der genetischen Stabilität spielt. Diese Vorgänge sind regelmäßig in Krebszellen gestört und können zu ungebremster Proliferation, genomischer Instabilität und Differenzierungshemmung führen.

5. Projekte

Durch lentiviral vermitteltem stabilen Knock-down oder Gentransfer in humane Zellen untersuchen wir systematisch die Bedeutung der Zellzykluskontrolle bei der Kanzerogenese. Live-Cell-Imaging von fluoreszenzmarkierten Zellzyklusregulatoren und zellulären Proteinen verwenden wir, um die Zellzykluskontrolle in lebenden Zellen und in Echtzeit zu untersuchen. Dabei analysieren wir u.a. die Entstehung genetischer Instabilität und den Einfluss von Zellzyklusregulatoren auf die Stammzelldifferenzierung. Als wesentliches Modell dienen uns hierfür auch humane hämatopoetische (HSC) und induzierte pluripotente Stammzellen (iPS).

 

 

Zellteilung

Zellteilungszyklus einer menschlichen Krebszelle

Kooperationen

Förderung

Publikationen