aPKCλ: ein kritischer Faktor für die Überlebensprognose und ein möglicher Behandlungsansatz bei Angiosarkom

Forschungsbericht (importiert) 2019 - Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung - W. G. Kerckhoff-Institut

Autoren
Riddell, Meghan; Hikita, Takao; Nakayama, Masanori
Abteilungen
Labor für Zellpolarität und Organogenese
Zusammenfassung

Die Aufrechterhaltung der Zellpolarität ist für die ordnungsgemäße Entwicklung vieler Gewebstypen unerlässlich - ihr Verlust führt zu übermäßigem Zellwachstum. In bösartigen Tumoren bei Säugetieren ist das Polaritätsprotein aPKCλ häufig überexprimiert und falsch lokalisiert, bislang waren die molekularen Abläufe jedoch unklar. Wir konnten einen zentralen Zusammenhang zwischen Zellpolarisation und –proliferation aufdecken. Er ist ein kritischer Faktor für die Verlaufsprognose und ein neuer Ansatz für therapeutische Strategien.

Einleitung

Abb. 1: Immunfärbung der Biopsie (Gewebeprobe) eines Angiosarkom-Patienten. VE-Cadherin (grün) ist der Marker für transformierte Endothelzellen im Gewebe. aPKC (rot) wird in den transformierten Zellen überexprimiert. Hoechst 3342 (blau) zeigen den Kern aller Zelltypen an. Auf der rechten Seite sieht man die Ausschnitte in den gestrichelten Kästchen in höherer Vergrößerung Oben rechts: VE-Cadherin positive Regionen, unten rechts: VE-Cadherin negative Regionen. Der Skalenbalken steht für 50 μm.

Eine strenge Regulierung der Proliferation ist für die normale Entwicklung von Geweben unerlässlich, während die ungehemmte Zellproliferation ein grundlegendes Merkmal von Krebs ist. Daher wird die Zellproliferation während der Gewebeentwicklung und in der Homöostase streng kontrolliert. Bei Stimulation durch Wachstumsfaktoren, wie z.B. Vascular Endothelial Growth Factors (VEGFs), breiten sich die Endothelzellen (ECs) schnell und eng koordiniert aus, um neue Gefäße zu bilden. Umgekehrt kann eine pathologische endotheliale Proliferation zu Tumoren führen, darunter auch dem Angiosarkom, einer seltenen, aber sehr aggressiven Form von Gefäßkrebs.

FoxO1, ein Schlüssel-Regulator der Zellproliferation, wird durch Wachstumsfaktoren kontrolliert

Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass der Transkriptionsregulator Forkhead Box O1 (FoxO1) ein wichtiger transkriptioneller Regulator der Endothel-Proliferation ist. Im Cytoplasma lokalisiertes FoxO1 führt zu einer verstärkten Expression des Regulatorgens c-MYC und der Proliferation von Endothelzellen. Umgekehrt wird die Lokalisierung von FoxO1 im Zellkern oft als Marker von ruhenden Zellen angesehen. Interessanterweise fand sich, dass FoxO1 diese Lokalisation im Zellkern auch in aktiv proliferierenden, bösartigen oder arzneimittelresistenten Tumoren zeigt.

Das Polaritätsprotein PKCλ, ein weiterer Schlüsselfaktor der Zellproliferation

Die Zellpolarität ist ein grundlegendes Merkmal vieler Zelltypen und für die ordnungsgemäße Bildung und Funktion von Geweben unerlässlich. Ihr Verlust führt zu einer Desorganisation des Gewebes und zu übermäßigem Zellwachstum. Einer der wichtigsten Regulatoren der Polarität ist die atypische Proteinkinase C (aPKC). Eine gestörte aPKCλ führt im Tierversuch nicht nur zu Polarisationsdefekten, sondern auch einer veränderten Zellproliferation. Bei bösartigen Krebserkrankungen wird aPKCλ oft in zu großer Menge produziert und falsch lokalisiert. In Endothelzellen führt der Verlust von aPKCλ zu einer Überaktivierung des Signals endothelialer Wachstumsfaktoren, aber paradoxerweise zeigen Knockout-Mäuse ohne aPKCλ eine gestörte Endothel-Proliferation [1]. Das deutet darauf hin, dass aPKCλ die Zellproliferation in einer Wachstumsfaktor-unabhängigen Weise kontrolliert. Der Mechanismus, der die Zellpolarisation mit der Zellproliferation verbindet, blieb bislang jedoch unbekannt.

aPKCλ hemmt die Aktivität von FoxO1

Abb. 2: A) Das Polaritäts-Protein aPKC phosphoryliert die DNA-Bindungsdomäne des Schlüssel-Regulator der Zellproliferation, FoxO1, und unterdrückt damit seine DNA-Bindungsfähigkeit. Infolgedessen wird die c-Myc-Expression erhöht. Zusätzlich zur Kontrolle der Zellproliferation reguliert diese Signalachse die PD-L1-Expression. Die Hemmung von aPKC wäre ein vielversprechender Behandlungsansatz für bösartige Tumore wie das Angiosarkom. B) Die Angiosarkom-Patienten wurden in pSer218-Positiv- oder Negativ-Gruppen eingeteilt, und wir verglichen ihre Überlebenszeit mit Hilfe einer Kaplan-Meier-Analyse. Die Überlebenszeit der negativen pSer218 FoxO1-Gruppe war signifikant länger als die der positiven pSer218 FoxO1-Gruppen.

Wir konnten zeigen, dass aPKCλ die Endothelproliferation über die Phosphorylierung des Tranksriptionsfaktors FoxO1 kontrolliert [2]. Wichtig ist, dass die Aktivität von aPKCλ die nukleare Lokalisierung von FoxO1 nicht beeinflusst. In früheren Arbeiten konnten mehrere regulatorische Pfade für die Kontrolle der c-Myc-Expression durch FoxO-Transkriptionsfaktoren gezeigt werden, einschließlich des Faktors miR34-c. Hierzu konnten wir zeigen, dass die aPKCλ-Phosphorylierung die FoxO1-induzierte Expression von miR-34c blockiert und dadurch die c-Myc-Häufigkeit und damit die Gefäß-Proliferation kontrolliert (Abb. 2 A).

Die Prognose bei Angiosarkom korreliert mit FoxO1-Phosphorylierung durch aPKCλ

Das Angiosarkom entwickelt sich ausgehend von Gefäß-Endothelzellen. Es ist relativ selten und macht nur etwa 2% der Weichteilsarkome aus, gilt aber als recht bösartig. Trotz Verbesserungen in der Behandlung ist die mittlere 5-Jahres-Überlebensrate der Patienten immer noch gering, was die Entwicklung einer neuen therapeutischen Strategie dringend macht. Wir konnten zeigen, dass die Mehrzahl der Angiosarkom-Patienten eine Hyperphosphorylierung von FoxO1 durch aPKCλ aufweist, was die klinische Relevanz dieses neuartigen regulatorischen Weges von FoxO1 zeigt. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Phosphorylierung von FoxO1 durch aPKCλ und die Expression von aPKCλ eine klare Korrelation mit der Patientenprognose aufwies (Abb. 2 B ;[2]).

Die Expression von PD-L1 ist der aPKCλ/FoxO1 Regulierung nachgeschaltet

Sogenannte Immunkontrollpunkte regulieren die Aktivität des Immunsystems. Ihre Funktion ist es, Autoimmunität zu verhindern und das Gewebe so vor immunologischen Kollateralschäden zu schützen. Zur Etablierung von Selbsttoleranz führt die Bindung von PD-1 (programmed death protein 1) an T-Lymphozyten und seiner Liganden PD-L1 an Antigen-präsentierende Zellen zu einer verminderten Proliferation und unterdrückter Aktivität von T-Zellen. Damit spielt diese Regulation auch eine hemmende Rolle bei der normalen Immunantwort. Bei bösartigen Krebserkrankungen wird diese Funktion häufig von veränderten Zellen übernommen, um die Anti-Tumor-Antwort des Immunsystems zu vermeiden. Die Existenz von PD-1- oder PD-L1-positiven Zellen im Tumorgewebe korreliert mit der schlechten Prognose der Patienten.

Immunkontrollpunkt-Inhibitoren, wie z.B. Antikörper gegen PD-1 oder PD-L1, werden daher als neue Angriffspunkte für Krebsimmuntherapien in Betracht gezogen. Obwohl dies ein vielversprechender Therapieansatz ist, spricht nur ein Teil der Patienten auf diese Behandlung an. Ein weiteres Verständnis der Regulation der PD-L1-Expression ist daher notwendig, um die Behandlung von Immunkontrollpunkten zu verbessern. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass das Onkogen c-Myc die PD-L1-Expression in Tumorzellen reguliert. Wir fanden außerdem heraus, dass die PD-L1-Expression mit der FoxO1-Phosphorylierung durch aPKCλ korreliert. Darüber hinaus führte die Unterdrückung der Expression von aPKCλ oder die Hemmung seiner Aktivität zu einer verminderten PD-L1-Expression [3]. Zusammenfassend haben wir einen Mechanismus entdeckt, der die physiologische und pathologische Endothelproliferation reguliert. Angesichts der Tatsache, dass die aPKC-Expression häufig mit der Malignität vieler verschiedener Tumorarten korreliert, könnte unsere Erkenntnis die Grundlage dafür sein, eine neue Strategie zu etablieren. Die kombinierte Behandlung von Immunkontrollpunkt-Inhibitoren mit aPKC-Inhibitoren wäre hierbei ein vielversprechender Behandlungsansatz.

Nachwort von Dr. Masanori Nakayama

Ein japanischer Freund unserer Familie, mein ehemaliger Musiklehrer, starb Anfang Januar 2016 an einem Angiosarkom. Noch wenige Tage zuvor sprach ich mit ihm als sein Schüler und als Gefäßbiologe. In dieser Zeit analysierten wir in meinem Labor das endothelspezifische aPKC-Funktionsverlust-Mausmodell, und erkannten, dass das Angiosarkom durch einen aPKC-Funktionsgewinn gekennzeichnet ist. Die Zusammenhänge der Tumorentstehung aufzuklären und damit möglicherweise einen Beitrag zur Behandlung dieser Krebserkrankung zu leisten, ist mir daher auch ein wichtiges persönliches Anliegen.

Literaturhinweise

1.
Nakayama, M.; Nakayama, A.; van Lessen, M.; Yamamoto, H.; Hoffmann, S.; Drexler, H.C.; Itoh, N.; Hirose, T.; Breier, G.; Vestweber, D.; Cooper, J.A.; Ohno, S.; Kaibuchi, K., Adams, R.H.
Spatial regulation of VEGF receptor endocytosis in angiogenesis.
Nature Cell Biology 15, 249-60 (2013)
2.
Riddell, M.; Nakayama, A.; Hikita, T.; Mirzapourshafiyi, F.; Kawamura, T.; Pasha, A.; Li, M.; Masuzawa, M.; Looso, M.; Steinbacher, T.; Ebnet, K.; Potente, M.; Hirose, T.; Ohno, S.; Fleming, I.; Gattenlohner, S.; Aung, P.P.; Phung, T.; Yamasaki, O.; Yanagi, T.; Umemura, H.; Nakayama, M.  
aPKC controls endothelial growth by modulating c-Myc via FoxO1 DNA-binding ability.
Nature Communications 9 (2018)
3.
Kawamura, A.; Kawamura, T.;  Riddell, M.; Hikita, T.;  Yanagi, T.; Umemura, H.; Nakayama, M.
Regulation of programmed cell death ligand 1 expression by atypical protein kinase C lambda/iota in cutaneous angiosarcoma.
Cancer Science 110, 1780-1789 (2019)
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