Potentielle Zielgene der Karzinogenese mikrosatelliten-instabiler Tumore

Ein Funktionsverlust des DNA-mismatch-Repartursystems (mismatch repair deficiency, MMR) führt zu Deletionen und Insertionen in kurzen repetitiven Elementen des Genoms, die aus einer, zwei, oder mehr Nukleotiden als Einzeleinheit bestehen und Mikrosatelliten genannt werden. Hohe Mikrosatelliten-Instabilität (high microsatellite instability, MSI-H) als Folge tritt in mehr als 90 % humaner Tumoren von HNPCC- bzw. Lynch-Syndrom-Patienten (hereditäres nicht-polypöses Kolonkarzinom,  OMIM #120435) auf, aber auch in bis zu 15 % sporadischer Karzinome des Dickdarms, des Endometriums und des Magens, seltener auch anderer Organe.

Die Mutabilität von Mikrosatelliten hängt hauptsächlich von deren Länge ab, wird aber möglicherweise auch von anderen biochemischen und biologischen Faktoren modifiziert, deren Einfluss und Einflussgrößen aber noch nicht abschließend geklärt ist. Die meisten Gene bzw. deren Mikrosatelliten ohne physiologische Relevanz werden eine vergleichbare Mutationsfrequenz zeigen. Aber einige manifest gewordene Mutationen werden in den betroffenen Zellklonen zu einem positiven oder negativen Selektionsdruck führen, welcher eine erhöhte oder verminderte Mutationsfrequenz zur Folge haben wird. Daher schwanken die zu beobachtenden Mutationsfrequenzen in einem weiten Bereich. Die folgende Abbildung verdeutlicht dies (mittlere Mutationsfrequenz mit zweifachem Standardfehler; Datengrundlage MSI-H Kolorektale Tumore):

 

Deletionen und Insertionen in kodierenden Mikrosatelliten betreffen das Leseraster bzw. die Transkription. Proteinfunktionen können daher verändert, vermindert oder aufgehoben sein. Diese Veränderung wird in einer betroffenen Zelle möglicherweise die Zellfunktionen hinsichtlich Zellwachstum/ -teilung, der Apoptose oder anderer zellulärer Vorgänge derart beeinflussen, dass ein Wachstumsvorteil oder -nachteil resultiert. Dieser kann als Selektionsdruck auf die Zelle zu einer Manifestation der zugrundeliegenden Mutation oder zum Absterben derselben führen. Im einen Fall werden sich Zellen anhäufen, die eine solche Mutation tragen, im anderen wird man diese kaum nachweisen können. Zudem können solche Mutationen, die die Aminosäuresequenz beeinflussen, auch immunologische Folgen nach sich ziehen. Leserasterschubmutationen führen zum einen zum Abbruch der originalen Aminosäuresequenz aber auch zu sogennannten Neopeptiden definierter Länge. Diese stellen für den Organismus Neoantigene dar, die zu einer immunologischen Abwehr führen sollten. Dies könnte die bessere Prognose von Patienten mit MSI-H-Tumoren im Vergleich zu Patienten mit MSS-Tumoren (microsatellite stability) erklären. Die Neopeptide könnten zudem einer therapeutischen Nutzung zugeführt werden: eine Vakzinierung mit Neopeptiden besonders häufig oder früh betroffener Gene wie TGFBR2, BAX u. a. könnte das Auftreten maligner/ maligne entartender Zellen reduzieren oder gar unterbinden.

Wir haben ein  statistisches Modell entwickelt (Woerner, 2003), welches auf einer sigmoiden Regressionsanlyse basiert, mit dem Ziel, relevante Zielgene der MSI-Karzinogenese über das Verhältnis von Mutationsfrequenz zu Mikrosatellitenlänge zu identifizieren. Eine extensive Literatursuche und -analyse führt(e) zum Einschluß von Datensätzen definierter Mononukleotid-Mikrosatelliten (mononucleotide repeat tract, MNR) - der häufigsten Mikrosatellitenart im humanen Genom - in Kombination mit der Anzahl untersuchter und mutierter MSI-H-Tumoren verschiedener Gewebetypen (z. B. Dickdarm, Magen und Endometrium). In den folgenden Abbildungen sind Regressionsanalysen für die einzelnen Gewebetypen dargestellt. Die durchgezogenen Linien entsprechen jeweils der durchschnittlichen Mutationsfrequenz, Datenpunkte oberhalb der oberen bzw. unterhalb der unteren gestrichelten Linie zeigen eine statistisch signifikant erhöhte bzw. verminderte Mutationsfrequenz.

  Kolon/Rektum
  Magen
  Endometrium
  Kolon Zellinien

Mutationsinformationen aus der Literatur wurden und werden gesammelt und in einer  MySQL-Datenbank gespeichert. Gewebespezifische Regressionsanalysen werden mit  R und der  nls2-Bibliothek durchgeführt. Zur Präsentation der Ergebnisse wurde eine online-Plattform entwickelt, die SelTarbase (Selective Targets in Human MSI-H Tumorigenesis Database). Alle Schritte von der Datenbanksuche, über die R/nls2-Berechnung zur gesamten Präsentation als WWW-Oberfläche werden von einer Anzahl von  perl-Skripten durchgeführt.

Die   :

Die SelTarbase ist eine umfassende MNR-Mutationsdatenbank, basierend auf Primärdaten vieler Untersuchungen humaner MSI-H-Tumore verschiedener Organe. Sie macht aktuelle Informationen einer immer größer werdenden Anzahl von untersuchten Genen bzw. der darin enthaltenden MNRs verfügbar. Mit jeder neuen Version werden die gewebespezifischen Regressionsanalysen aktualisiert, welche aufzeigen, welche Mutationsfrequenzen auffällig sind und zu einer Fokussierung funktioneller Analysen vielversprechend erscheinender Gene der MSI-H-Karzinogenese führen könnten. Die SelTarbase stellt zudem eine ganze Reihe von zusätzlichen Funktionen zur Verfügung, die es dem Nutzer möglich machen, neue Aspekte seiner eigenen Ergbnisse zu gewinnen: ein Modul erlaubt das Hochladen eigener (anonymisierter) MNR-Mutationsdaten mit einer anschließenden Neuberechnung der Regressionen unter Berücksichtigung dieser Daten. Desweiteren enthält die SelTarbase eine weitere Datenbank aller humanen MNRs in kodierenden, untranslatierten, nicht-kodierenden und intronischen Bereichen basierend auf der aktuellen Version des humanen Genoms und dessen Annotation in  Ensembl (MNR_ensembl). Für diese potentiellen Untersuchungskandidaten stehen ebenso wie für alle MNRs mit bereits vorhandenen Mutationsinformationen weitere Funktionen zur Verfügung, mit denen der Einfluß von Deletionen und Insertionen auf das Leseraster bzw. die Transkription oder aber eine Vorhersage bzgl. des Unterliegens des nonsense-RNA-decay (NMD) dieser Mutationen möglich ist. Zudem werden weitere Werkzeuge angeboten, die eine Analyse der resultierenden Aminosäure bzw. Proteinsequenz hinsichtlich immunologischer Fragestellungen erlauben.


Ausgewählte Literatur

  • SelTarbase, a database of human mononucleotide-microsatellite mutations and their potential impact to tumorigenesis and immunology. Woerner SM;Yuan YP;Benner A;Korff S;von Knebel Doeberitz M;Bork P, 2009 , Nucleic Acids Research, Database Issue 2010,  PubMed 19820113,  DOI .
  • The putative tumor suppressor AIM2 is frequently affected by different genetic alterations in microsatellite unstable colon cancers. Woerner SM;Kloor M;Schwitalle Y;Youmans H;Doeberitz MK;Gebert J;Dihlmann S, 2007 Dec , Genes Chromosomes Cancer , 46, 1080 - 1089 ,  PubMed 17726700,  DOI .
  • Microsatellite instability in the development of DNA mismatch repair deficient tumors. Woerner SM;Kloor M;von Knebel Doeberitz M;Gebert JF, 2006 , Cancer Biomark , 2, 69 - 86 ,  PubMed 17192061 .
  • Microsatellite instability of selective target genes in HNPCC-associated colon adenomas. Woerner SM;Kloor M;Mueller A;Rueschoff J;Friedrichs N;Buettner R;Buzello M;Kienle P;Knaebel HP;Kunstmann E;Pagenstecher C;Schackert HK;Moslein G;Vogelsang H;von Knebel Doeberitz M;Gebert JF, 2005 Apr 7 , Oncogene , 24, 2525 - 2535 ,  PubMed 15735733 ,  DOI .
  • Pathogenesis of DNA repair-deficient cancers: a statistical meta-analysis of putative Real Common Target genes. Woerner SM;Benner A;Sutter C;Schiller M;Yuan YP;Keller G;Bork P;Doeberitz MK;Gebert JF, 2003 Apr 17 , Oncogene , 22, 2226 - 2235 ,  PubMed 12700659 ,  DOI .
  • Systematic identification of genes with coding microsatellites mutated in DNA mismatch repair-deficient cancer cells. Woerner SM;Gebert J;Yuan YP;Sutter C;Ridder R;Bork P;von Knebel Doeberitz M, 2001 Jul 1 , Int J Cancer , 93, 12 - 19 ,  PubMed 11391615 ,  DOI .


Die SelTarbase ist ein gemeinschaftliches Projekt folgender Wissenschaftler und Institutionen:

Dr. med. Stefan M. Woerner1,2
Dr. rer. nat. Yan P. Yuan3
Dipl. stat. Axel Benner4
Prof. Dr. med. Magnus von Knebel Doeberitz2
PD Dr. rer. nat. Peer Bork3

  1. Institut für klinische Chemie (IKC), Universitätsmedizin Mannheim (UMM)
  2.  Abteilung Angewandte Tumorbiologie (ATB) Institut für Pathologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  3.  Structural and Computational Biology Unit, European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Heidelberg
  4.  Abteilung Biostatistik (Head of Research Group „Statistics for Translational Oncology“), Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg


Kontakt

Dr. Stefan M. Woerner
Institut für klinische Chemie, Universitätsmedizin Mannheim
Tel. +49 621 383 3561
Fax +49 621 383 73 3561
 Email /  admin at seltarbase.org

 

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