Untersuchung der metabolischen und proliferativen Tumorheterogenität als therapeutisches Ziel für die Behandlung des malignen Melanoms
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das maligne Melanom ist einer der heterogensten Tumore aller Krebsarten. Trotz Entwicklung neuer Therapieansätze (z.B. zielgerichtete Therapien oder Immun-Checkpoint- Inhibitoren) entwickeln Patienten mit fortgeschrittenem Melanom rasch Resistenzen, die innerhalb von wenigen Monaten zu erneutem Tumorwachstum führen. Ein Grund für die funktionelle Entstehung dieser Resistenzen ist die hohe phänotypische Tumorheterogenität, welche zusätzlich zu auftretenden genetischen Mutationen den dynamischen Wechsel zwischen verschiedenen Zellphänotypen erlaubt. Vorangegangene Arbeiten unserer Gruppe konnten eine kleine Subpopulation von multi-resistenten Melanomzellen identifizieren, die durch eine hohe Expression der Histon H3K4 Demethylase KDM5B charakterisiert war. Diese KDM5B-abhängige Zellsubpopulation fiel zudem durch eine erhöhte Abhängigkeit von der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierung von ATP (OXPHOS) auf; und zwar unabhängig vom jeweiligen Mutationsstatus der Melanomzellen. Wir konnten nun zeigen, dass eine Korrelation zwischen der Expression von KDM5B und der Expression metabolischer Gensignaturen vorliegt. Die vergleichende Analyse von publizierten humanen Melanomtranskriptomen des TCGA (The Cancer Genome Atlas) mit Einzelzelltranskriptomen des Tirosh-Datensatzes zeigte eine signifikante Expressionsüberlappung von 154 Genen mit der Expression von KDM5B. 29 der identifizierten Gene (18,9%) kodierten für metabolische Schlüsselproteine. Zudem waren 7 dieser 29 Gene funktionell an mitochondrialen Prozessen, dem Energiemetabolismus oder der Regeneration von reaktiven Sauerstoffspezies beteiligt. Die Ergebnisse unserer LC-HRMS (liquid-chromatography-highresolution-mass- spectrometry) Analyse kartierten das komplette Metabolom des multiresistenten KDM5B-abhängigen Melanomzellphänotyps. Grundlegend hierfür war die Neuetablierung eines optimierten LC-HRMS-Protokolls zur standardisierten Probenpräparation von KDM5B- regulierten Melanomzellen unter Verwendung von stabilen shRNA Knockdown- und Überexpressionskonstrukten. Unsere Analyse zeigte eine signifikante und spezifische Regulation von 11 intrazellulären sowie 9 sezernierten Metaboliten in Abhängigkeit der KDM5B-Expression. Im Detail wiesen unsere Ergebnisse darauf hin, dass Melanomzellen mit hoher Expression von KDM5B (KDM5Bhigh) funktionell betrachtet (z.B. mittels Seahorse und GSH/GSSG GloTM Assays) einen breiteren und signifikant erhöhten oxidativen mitochondrialen Metabolismus (OXPHOS) besaßen. Dabei erweiterten die KDM5Bhigh Melanomzellen ihre Substratspezifität für die OXPHOS und konnten so neben Glutamin auch signifikant mehr Glukose, sowie Fettsäuren mitochondrial verstoffwechseln. Parallel dazu erhöhten KDM5Bhigh Melanomzellen die Produktion von NADPH durch den Pentosephosphatweg, um zusammen mit Glutathion (GSH), als zentralem Antioxidans, die Detoxifikation von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) zu ermöglichen. Abschließend konnten wir zeigen, dass die funktionelle KDM-Inhibition mittels GSK- J1, PBIT oder 2,4-PDCA signifikant die Expression von zentralen metabolischen Enzymen (z.B. Glutaminase) reguliert. Unsere Ergebnisse wiesen darüber hinaus darauf hin, dass eine Behandlung mit KDM-Inhibitoren die Koloniebildung und das Invasionsverhalten von Melanomzellen signifikant reduziert. Insbesondere entscheidend hierbei war, dass dieser Effekt ebenso bei der Behandlung von BRAF-Inhibitor-resistenten Melanomzellen beobachtet werden konnte. Somit könnte die Inhibition von KDM5B als ein neuer, übergeordneter Therapieansatz angesehen werden, um zukünftig das Metabolom und maligne Verhalten von Melanomzellen zu modulieren. Sobald verbesserte KDM-Inhibitoren mit optimierter Bioverfügbarkeit verfügbar sind, sollte das volle Potential dieser neuen Therapiemöglichkeit auch in präklinischen in vivo Experimenten im Kontext der Therapieresistenz und systemischen Tumorprogression von Melanomen untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019) Targeting the H3K4 Demethylase KDM5B Reprograms the Metabolome and Phenotype of Melanoma Cells. The Journal of investigative dermatology 139 (12)2506-2516.e10
Vogel, Felix C. E.; Bordag, Natalie; Zügner, Elmar; Trajkovic-Arsic, Marija; Chauvistré, Heike; Shannan, Batool; Váraljai, Renáta; Horn, Susanne; Magnes, Christoph; Thomas Siveke, Jens; Schadendorf, Dirk; Roesch, Alexander
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jid.2019.06.124)
