Tumorsuppressorgene werden oft als das körpereigene Abwehrsystem gegen Krebs angesehen. Sie produzieren Proteine, die zur Erhaltung und Reparatur der DNA beitragen und so das Risiko verringern, dass sich schädliche Mutationen ansammeln. Wenn diese Gene nicht mehr richtig funktionieren oder nur in geringen Mengen vorhanden sind, kann das Krebsrisiko steigen. Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass auch ein Überschuss an einem bestimmten DNA-Reparaturprotein ein Problem darstellen kann. Forscher am Penn State College of Medicine fanden heraus, dass eine übermäßige Aktivität des Gens EXO1 die DNA eher schädigen als schützen kann. Anstatt das genetische Material zu reparieren, kann ein Überschuss an EXO1 die DNA zerstören und das Genom destabilisieren – ein wesentliches Merkmal von Krebs.
Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass EXO1 bei 20 % bis 30 % der Brust- und Eierstockkrebsfälle sowie bei Melanomen, Hodenkrebs, Gebärmutterhalskrebs und Krebserkrankungen des Leber-Gallen-Systems – also der Leber, der Gallenblase und der Gallenwege – überexprimiert ist. Das Team entdeckte außerdem, dass sich Krebszellen mit ungewöhnlich hohen EXO1-Konzentrationen ähnlich verhalten wie Zellen mit BRCA-Mutationen, die dafür bekannt sind, das Risiko für erblich bedingte Brust- und Eierstockkrebserkrankungen zu erhöhen. Wichtig ist, dass dieses BRCA-ähnliche Verhalten auch dann auftrat, wenn keine BRCA-Mutation vorlag.
EXO1 könnte bei der Identifizierung von Patientinnen für gezielte Therapien helfen
Die Forscher fanden heraus, dass Tumoren mit erhöhtem EXO1-Spiegel auf Behandlungen in einer Weise ansprachen, die der von BRCA-mutierten Krebsarten sehr ähnlich war. „EXO1 sagt zwar kein Krebsrisiko voraus, könnte aber potenziell als Biomarker dienen, um vorherzusagen, welche Patienten mit größerer Wahrscheinlichkeit auf bestimmte Chemotherapien ansprechen, was zu personalisierteren Therapien führen würde“, sagte George-Lucian Moldovan, Professor für Molekular- und Präzisionsmedizin und leitender Autor der Studie. „Dieselben Medikamente, die für die Behandlung von BRCA-mutierten Tumoren vorgesehen sind und weniger Nebenwirkungen haben, könnten potenziell auch zur Behandlung von EXO1-überexprimierenden Tumoren eingesetzt werden, die keine BRCA-Mutationen aufweisen. Dies würde den Anwendungsbereich dieser Medikamente erweitern.“
Um die Rolle von EXO1 zu untersuchen, analysierten die Forscher Tumordaten aus dem „Cancer Genome Atlas“, einem Krebsgenomikprogramm des National Cancer Institute. Sie fanden Hinweise auf eine Überproduktion von EXO1 bei verschiedenen Krebsarten, darunter Tumoren der Brust, der Haut, der Leber und des Gebärmutterhalses, was mit früheren Forschungsergebnissen übereinstimmt. Erhöhte EXO1-Spiegel standen insbesondere im Zusammenhang mit basalähnlichem Brustkrebs, einer aggressiven Form der Erkrankung.
Wie überschüssiges EXO1 die DNA schädigt
Anschließend führte das Team Laborversuche mit menschlichen Krebszellen durch. Die Forscher erhöhten gezielt die EXO1-Produktion, um die Auswirkungen eines Proteinüberschusses auf die DNA zu untersuchen. Zusätzlich erzeugten sie eine inaktive Variante von EXO1, die zwar gebildet wurde, aber ihre enzymatische Funktion verloren hatte. Dadurch konnten sie nachweisen, dass die beobachteten DNA-Schäden tatsächlich durch die Aktivität des Proteins verursacht wurden. Unter normalen Bedingungen wirkt EXO1 wie eine molekulare Schere, die beschädigte DNA verarbeitet und so Reparaturvorgänge unterstützt. Bei einer Überexpression gerät diese Funktion jedoch aus dem Gleichgewicht. Statt nur geschädigte DNA zu bearbeiten, greift EXO1 zunehmend auch wichtige Strukturen an, die während der DNA-Verdopplung entstehen.
Die Forscher identifizierten zwei Hauptmechanismen: Zum einen vergrößert überschüssiges EXO1 einzelsträngige DNA-Lücken, die normalerweise rasch repariert werden. Zum anderen baut es sogenannte umgekehrte Replikationsgabeln ab – Schutzstrukturen, die während der DNA-Replikation entstehen, um genetische Schäden zu verhindern. Beide Prozesse führen zu einem Verlust von genetischem Material und erhöhen die Instabilität des Genoms.
Die Folge ist die Anhäufung schwerwiegender DNA-Schäden, insbesondere von Doppelstrangbrüchen. Diese gelten als eine der gefährlichsten Formen von DNA-Schäden und können die Entstehung und Entwicklung von Tumoren fördern. Gleichzeitig machen sie Krebszellen jedoch empfindlicher gegenüber bestimmten Chemotherapien und zielgerichteten Medikamenten, die weitere DNA-Schäden verursachen. „Unabhängig davon, welcher Signalweg beteiligt ist, führt die Überexpression von EXO1 zur Entstehung und Anhäufung toxischer DNA-Schäden wie Doppelstrangbrüche, was unserer Ansicht nach letztendlich dazu führt, dass der Tumor empfindlicher auf eine Chemotherapie reagiert und der Zelltod verstärkt wird“, erklärte Alexandra Nusawardhana, die Hauptautorin der Studie, die in diesem Jahr am Penn State College of Medicine in biomedizinischen Wissenschaften promoviert hat.
Warum EXO1 BRCA-Mutationen nachahmt
BRCA-Gene produzieren Proteine, die eine zentrale Rolle bei der Erhaltung der Genomstabilität spielen. Insbesondere schützen sie empfindliche DNA-Strukturen während der DNA-Replikation und unterstützen die Reparatur von Doppelstrangbrüchen durch die homologe Rekombination, einen besonders präzisen Reparaturmechanismus. Sind die BRCA-Gene mutiert, verlieren die Zellen einen Teil dieser Schutzfunktion. Dadurch werden Replikationsgabeln anfälliger für den Abbau durch Nukleasen, was zu DNA-Schäden, genomischer Instabilität und letztlich zur Entstehung von Krebs beitragen kann.
In der aktuellen Studie fanden die Forscher jedoch heraus, dass eine übermäßige Aktivität von EXO1 ähnliche Folgen haben kann – selbst dann, wenn die BRCA-Gene normal funktionieren und keine Mutationen aufweisen. Durch seine DNA-schneidende Aktivität greift überschüssiges EXO1 wichtige Strukturen an, die während der DNA-Verdopplung geschützt werden sollten. Dadurch entstehen vermehrt DNA-Lücken, Chromosomenbrüche und andere Formen genetischer Schäden, die typischerweise auch bei BRCA-defizienten Zellen beobachtet werden.
Das Team zeigte außerdem, dass EXO1 gemeinsam mit dem DNA-Reparaturprotein MRE11 wirkt. Beide Enzyme fördern den Abbau von Replikationsstrukturen und vergrößern einzelsträngige DNA-Lücken, wodurch die Entstehung gefährlicher Doppelstrangbrüche begünstigt wird. Nach Angaben der Forscher erzeugt die Überexpression von EXO1 damit funktionell denselben Zustand wie der Verlust des BRCA-Signalwegs in BRCA-mutierten Tumoren. Obwohl die zugrunde liegenden Ursachen unterschiedlich sind, ähneln sich die biologischen Folgen stark.
Dieses Phänomen wird häufig als „BRCAness“ bezeichnet. Darunter versteht man Tumoren ohne BRCA-Mutation, die dennoch dieselben molekularen Schwachstellen wie BRCA-mutierte Krebszellen aufweisen. Da ihre Fähigkeit zur Bewältigung von DNA-Schäden eingeschränkt ist, reagieren solche Tumoren häufig besonders empfindlich auf bestimmte Therapien, darunter PARP-Inhibitoren wie Olaparib sowie platinbasierte Chemotherapeutika.
Ein wichtiger Unterschied bleibt jedoch bestehen: BRCA-Mutationen können vererbt werden und erhöhen das individuelle Krebsrisiko bereits vor der Tumorentstehung. Die Überexpression von EXO1 ist dagegen eine Veränderung, die innerhalb von Tumorzellen entsteht und nicht an Nachkommen weitergegeben wird. Zudem ist bislang noch unklar, ob erhöhte EXO1-Spiegel direkt zur Krebsentstehung beitragen oder ob sie vor allem das Verhalten bereits bestehender Tumoren beeinflussen.
Mögliche Auswirkungen auf die Krebsbehandlung
Da sich EXO1-überexprimierende Tumoren in vielen Eigenschaften ähnlich wie BRCA-mutierte Tumoren verhielten, untersuchten die Forscher, ob sie auch vergleichbar auf bestimmte Krebstherapien reagieren. Im Mittelpunkt stand dabei Olaparib, ein PARP-Inhibitor, der bereits erfolgreich zur Behandlung von BRCA-mutierten Brust-, Eierstock-, Prostata- und Bauchspeicheldrüsenkrebs eingesetzt wird. PARP-Inhibitoren blockieren wichtige DNA-Reparaturmechanismen in Tumorzellen. Da BRCA-defiziente Zellen bereits eingeschränkte Reparaturfähigkeiten besitzen, können sie die zusätzlichen DNA-Schäden nicht mehr ausgleichen und sterben ab.
Die Studie zeigte, dass auch Tumoren mit erhöhter EXO1-Expression besonders empfindlich auf Olaparib reagierten. Offenbar erzeugt die Überexpression von EXO1 einen BRCA-ähnlichen Zustand („BRCAness“), der die Tumorzellen anfällig für dieselben therapeutischen Strategien macht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass künftig auch Patienten ohne nachweisbare BRCA-Mutation von PARP-Inhibitoren profitieren könnten, sofern ihre Tumoren hohe EXO1-Spiegel aufweisen.
Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Wirkung von Cisplatin, einem häufig eingesetzten Chemotherapeutikum, das DNA-Schäden verursacht und dadurch die Teilung von Krebszellen verhindert. Auch hier zeigten EXO1-überexprimierende Tumoren eine erhöhte Empfindlichkeit. Da diese Tumoren bereits unter erheblichem Replikationsstress stehen und vermehrt DNA-Schäden aufweisen, scheint ihre Fähigkeit, zusätzliche Schäden zu reparieren, begrenzt zu sein. Dies könnte erklären, warum sie besonders gut auf Cisplatin ansprechen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Studie ist die mögliche Rolle von EXO1 als Biomarker. Während BRCA-Mutationen nur bei einem relativ kleinen Teil der Patienten vorkommen, wurde eine EXO1-Überexpression bei mehreren Krebsarten nachgewiesen, darunter Brust-, Eierstock-, Haut-, Gebärmutterhals- und Leber-Gallen-Tumoren. Die Bestimmung des EXO1-Spiegels könnte daher helfen, Patienten zu identifizieren, die wahrscheinlich besonders gut auf PARP-Inhibitoren oder platinbasierte Chemotherapien ansprechen.
Langfristig könnte dies zu einer stärker personalisierten Krebsbehandlung beitragen. Statt Therapien hauptsächlich nach dem Ursprungsorgan eines Tumors auszuwählen, würden molekulare Eigenschaften und genetische Veränderungen des Tumors stärker in den Mittelpunkt rücken. Nach Ansicht der Forscher könnte EXO1 daher künftig ein wichtiger Marker sein, um Behandlungsentscheidungen gezielter zu treffen und die Wirksamkeit vorhandener Therapien zu verbessern. Um dieses Potenzial zu bestätigen, sind jedoch weitere Untersuchungen und klinische Studien mit Patienten erforderlich.