Stille Mutationen: ein Weg, den Krebs zu besiegen?

Auf dem Weg der wissenschaftlichen Erforschung ist es oft notwendig, langjährige Konzepte aufzubrechen, um neue Theorien zu entwickeln.

Geschrieben von | XZ

Wir wissen, dass Genmutationen Krebs verursachen können. Eine Mutation in einem Basenpaar eines DNA-Fragments verändert die vom Gen kodierte Aminosäuresequenz. Diese Art der Mutation wird oft als Hauptfaktor für die Krankheit angesehen und als „nicht-synonyme Mutation“ bezeichnet. Sie steht auch im Mittelpunkt der Krebsforschung.

Entsprechend gibt es eine „stille“ Mutation, auch „synonyme Mutation“ oder „neutrale Mutation“ genannt, die den Typ der kodierten Aminosäure nicht verändert.

Synonymische Mutationen haben keinen Einfluss auf die Aminosäuresequenz eines Proteins und galten daher lange Zeit als harmlos. Sie sind „stumm“, weil sie „nutzlos“ sind und nur als seltsames biologisches Phänomen beschrieben werden können. Synonymen Mutationen wurde in der Krebsforschung lange Zeit wenig Beachtung geschenkt.

Aber die Dinge ändern sich, und irgendwann wird es einen Wendepunkt geben.

Mutationen, die Gene stilllegen, können auch Krankheiten verursachen

Immer mehr Studien zeigen, dass synonyme Mutationen nicht „harmlos“ sind, sondern dennoch Krankheiten verursachen können. Lu Xin, ein Krebsbiologe an der University of Notre Dame, hat dies vor einigen Jahren erkannt.

Eines Tages empfing Lu Xin einen Patienten mit Von-Hippel-Lindau-Krankheit (VHL-Syndrom) und analysierte seinen Zustand. Das VHL-Syndrom ist eine seltene autosomal-dominante genetische Erkrankung, die durch Mutationen im VHL-Tumorsuppressorgen (Von-Hippel-Lindau-Tumorsuppressorgen) auf dem Chromosom 3P25.3 verursacht wird. Funktionelles VHL-Protein spielt eine wichtige Rolle bei der Zellproliferation und Gefäßregulation. Wenn das VHL-Tumorsuppressorgen mutiert, können die Zellen kein funktionelles VHL-Protein exprimieren, was sich als Multiorgantumorsyndrom manifestiert. Einfach ausgedrückt können Tumore überall im Körper wachsen.

Das VHL-Gen wird autosomal-dominant vererbt. Nur wenn beide VHL-Allele auf dem Chromosom mutiert sind (Gene, die sich an der gleichen Position auf einem Paar homologer Chromosomen befinden und unterschiedliche Formen desselben Merkmals steuern), können die Zellen das VHL-Protein nicht mehr exprimieren, was zur Tumorbildung führt.

Während des Gesprächs erfuhr Lu Xin, dass die beiden Töchter des Patienten ebenfalls das VHL-Syndrom geerbt hatten. Bei den siebenjährigen Zwillingsmädchen wuchsen auf der Netzhaut nicht resektable Tumore. Nach der Überprüfung der Genomsequenzierungsdaten der drei Personen stellte Lu Xin jedoch überrascht fest, dass im VHL-Gen dieser drei Personen keine proteinverändernde Mutation vorlag, sondern nur eine synonyme Mutation, d. h. die Sequenz CCA mutierte zur Sequenz CCG. Die beiden Sequenzen kodieren dieselbe Aminosäure (beide sind Prolin). Theoretisch hätte eine solche Mutation keine biologischen Auswirkungen und dürfte keine Krankheiten verursachen, aber alle drei leiden tatsächlich am VHL-Syndrom!

Lu Xin war sehr verwirrt. Um herauszufinden, was los war, sammelte er Hautproben der Familie, isolierte Zelllinien daraus und führte eine Reihe von Analysen durch[1]. Er fand heraus, dass synonyme Mutationen im VHL-Tumorsuppressorgen den Prozess des mRNA-Spleißens beeinflussten. Beim sogenannten mRNA-Spleißen handelt es sich um den Vorgang, bei dem Introns aus dem ursprünglichen Transkriptionsprodukt entfernt werden, das von der DNA-Matrizenkette transkribiert wurde, und die Exons zu einem kontinuierlichen RNA-Molekül verbunden werden (weitere Einzelheiten finden Sie unter „20 Jahre nach der Gensequenzierung haben wir endlich herausgefunden, wozu Junk-DNA da ist“). Bei diesem Prozess zerstören synonyme Mutationen die Bindung von Spleißproteinen an bestimmte Nukleotidsequenzen, was dazu führt, dass ein Abschnitt der mRNA abgeschnitten wird und eine „vereinfachte Version“ der mRNA entsteht. Daher fehlte bei diesen drei Patienten das vollständige VHL-Protein in bestimmten Geweben, was zu den Symptomen des VHL-Syndroms führte.

Tatsächlich gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass synonyme Mutationen nicht immer harmlos sind, und Lu Xins Entdeckung ist nur die Spitze des Eisbergs. Während der Evolution des Lebens wird äußerer Druck die Richtung der Evolution verändern. Unter einem solchen Selektionsdruck kommt es normalerweise zu synonymen Mutationen. Synonymmutationen können die Genexpression auf vielfältige Weise beeinflussen und werden mit Krankheiten wie Mukoviszidose, Autismus und Krebs in Verbindung gebracht[2]. Da es jedoch keine systematische Analyse synonymer Mutationen gibt, wird der Einfluss synonymer Mutationen von Forschern bei Diskussionen zum Thema Krebs grundsätzlich ignoriert und nicht-synonyme Mutationen bilden den „Kern“ der Diskussion.

Einige Wissenschaftler ändern inzwischen ihre ablehnende Haltung gegenüber synonymen Mutationen. Man schätzt, dass bestimmte synonyme Mutationen in der DNA für 5 bis 8 % aller krebserregenden Mutationen verantwortlich sind[3]. Diese Wissenschaftler arbeiten daran, die Auswirkungen dieser Mutationen auf Krebs durch systematische Studien zu entschlüsseln und das Ausmaß ihrer Auswirkungen auf das gesamte Genom zu verstehen. Dadurch könnten nicht nur krankheitsverursachende Mechanismen bei einigen Patienten identifiziert, sondern möglicherweise auch neue Behandlungsansätze eröffnet werden.

Wie erzeugen synonyme Mutationen „Rauschen“?

Synonym-Codons haben unterschiedliche Nukleotidsequenzen, kodieren aber dieselbe Aminosäure, daher werden sie als „synonym“ bezeichnet. Die Forschung von Lu Xin und anderen zeigte jedoch, dass die Dinge nicht so einfach sind wie ein „synonymer Austausch“ – synonyme Codons sind nicht vollständig austauschbar. Tatsächlich kann eine bestimmte Codonsequenz die Bindung von Proteinen zur Regulierung der Genexpression (wie etwa Transkriptionsfaktoren) an DNA-Regulationsstellen beeinflussen und auch die Interaktion zwischen Spleißproteinen und mRNA-Vorläufern beeinflussen. Beispielsweise exprimieren einige mRNA-Vorläufer ursprünglich Tumorsuppressorgene, aber einige synonyme Mutationen stören deren Spleißen, was zu einer Förderung des Tumorwachstums führt[4].

Synonymische Mutationen können auch die Auswirkungen nicht-synonymer Mutationen verändern, d. h. die Expression nicht-synonymer mutierter Gene fördern, indem sie das mRNA-Spleißen beeinflussen [5]. Forscher nutzten beispielsweise Technologien zur Genomeditierung, um verschiedene Mutationen in menschliche Krebszelllinien einzubringen und stellten fest, dass durch die Veränderung des Basentyps die ursprüngliche Spleißstelle zerstört wurde. Die nicht-synonyme Mutation erzeugte eine neue Spleißstelle, die effektiv einen Teil der codierenden Sequenz des mutierten Proteins aus der mRNA entfernte, wodurch die vollständige Expression des mutierten Proteins unmöglich wurde. Die synonyme Mutation kann jedoch die durch die nicht-synonyme Mutation entstandene Spleißstelle zerstören, was letztendlich zur vollständigen Expression des mutierten Proteins führt[6]. Das heißt, dass einige nicht-synonyme Mutationen zusammen mit bestimmten synonymen Mutationen auftreten müssen, um das mutierte Protein gemeinsam zu exprimieren. Solch eine seltsame Umgebung überraschte und verwirrte die Wissenschaftler.

Verschiedene synonyme Codons beeinflussen auch die zweidimensionale Struktur der mRNA und beeinflussen dadurch die Überlebenszeit der mRNA im Zytoplasma und ihre Bindung an das Ribosom. Beispielsweise führen synonyme Mutationen im Gen, das den menschlichen Dopaminrezeptor D2 kodiert, dazu, dass sich die mRNA in eine weniger stabile Konformation faltet, was dazu führt, dass nicht genügend mRNA in Protein übersetzt wird[7].

Codons beeinflussen auch die Translationseffizienz von mRNA. Verschiedene Arten und sogar verschiedene Gewebe und Gene innerhalb eines Organismus verwenden bevorzugt bestimmte synonyme Codons, um bestimmte Aminosäuren zu kodieren und so ihre spezifischen Translationsmechanismen zu optimieren. Die Translation eines selten verwendeten synonymen Codons dauert oft länger als die eines häufig verwendeten Codons, da weniger Transfer-RNAs (tRNAs) für die Translation zur Verfügung stehen. In menschlichen Zellen wurde beobachtet, dass synonyme Mutationen die Translation verlangsamen, indem sie häufige Codons durch seltene ersetzen, oder die Translation beschleunigen, indem sie seltene Codons in häufige umwandeln, wodurch letztlich die Struktur oder Konzentration von Proteinen verändert wird [ 8 , 9 ].

Bisher lassen sich die Auswirkungen synonymer Mutationen auf die Genexpression wie folgt zusammenfassen:

1. Veränderung der Bindungsstelle von regulatorischen Proteinen und DNA;

2. Spleißstellen zerstören;

3. Beeinflusst die Stabilität der mRNA;

4. Beeinflussen die Translation von mRNA.

Eine tiefere Suche

In der Vergangenheit wurden die meisten synonymen Mutationen, die Krebs beeinflussen, zufällig entdeckt und es fehlte an einer systematischen Analyse, bis eine Studie im Jahr 2019 einige Fortschritte erzielte. In dieser Studie analysierten Forscher eine Datenbank mit fast 3 Millionen Mutationen aus mehr als 18.000 Gewebeproben von 88 Tumorarten. Auf dieser Grundlage erstellten sie eine neue Datenbank mit mehr als 650.000 synonymen Mutationen. Daten zeigen, dass synonyme Mutationen ebenso wie nicht-synonyme Mutationen dazu neigen, sich in Genen zu häufen, die mit Krebs in Zusammenhang stehen[10].

Basierend auf dieser Schlussfolgerung wählte das Forschungsteam das berühmte KRAS-Onkogen aus, identifizierte darin synonyme Mutationen und führte weitere detaillierte Untersuchungen durch. Nach und nach verwendeten sie Plasmide (siehe „Was ist ein Plasmid? Es hat mit allem zu tun, von biologischen Waffen bis hin zu gentechnisch veränderten Lebensmitteln“), um mutierte Gene in menschlichen Zelllinien zu exprimieren. Wie erwartet führen einige synonyme Mutationen zu erhöhten KRAS-Proteinspiegeln, was das Krebsrisiko des Organismus erhöht.

Wie bereits erwähnt, können synonyme Mutationen die Faltung der mRNA und damit die Genexpression beeinflussen. Um diese Hypothese zu überprüfen, erfasste das Forschungsteam die chemische Wechselwirkung zwischen mRNA und nukleotidhaltigen Lösungen und verwendete diese Methode, um die tatsächliche Struktur der mRNA zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass synonyme Mutationen die Faltung der mRNA beeinflussen. Dies war der erste Beweis dafür, dass synonyme Mutationen die mRNA-Struktur von Krebsgenen verändern können[11].

Dennoch ist die Forschung noch lange nicht perfekt. Da es sich bei dem im Experiment eingeführten Plasmid bereits um gespleißtes genetisches Material handelt, reicht es nicht aus, den Einfluss von Mutationen auf das Spleißen zu beurteilen. Wenn synonyme Mutationen systematisch in das Kerngenom der Zelle eingeführt werden können, sind die erhaltenen Daten überzeugender. Dies stellt natürlich auch größere Herausforderungen an die Technologie dar.

Gleichzeitig suchen auch andere Wissenschaftler nach neuen Wegen, um die Auswirkungen synonymer Mutationen auf die Genexpression, vor allem die Proteintranslation, vorherzusagen. Tamir Tuller, ein Computer- und synthetischer Biologe an der Universität Tel Aviv in Israel, erstellt Computermodelle, um die Auswirkungen synonymer Mutationen auf die Einleitung und Geschwindigkeit der Proteintranslation vorherzusagen.

Helena Persson, Molekulargenetikerin an der Universität Lund in Schweden, verwendet die Häufigkeit der Mutation häufiger Codons zu seltenen Codons als neuen Indikator, um die Auswirkungen synonymer Mutationen auf die Proteintranslation widerzuspiegeln, da Häufigkeitsänderungen die Geschwindigkeit der Translation widerspiegeln können. Perssons Team führte eine synonyme Mutation in den Östrogenrezeptor (ein Transkriptionsfaktor, der mit Brustkrebs in Verbindung gebracht wird) ein und wandelte häufige Codons in seltene Codons um. Sie stellten fest, dass die Translationsrate des Proteins, die für die korrekte Faltung des Proteins entscheidend ist, reduziert war, was dazu führte, dass das Protein möglicherweise nicht richtig gefaltet wurde. Interessanterweise tritt dieses Phänomen jedoch nur auf, wenn mehrere synonyme Mutationen zusammen auftreten, was darauf schließen lässt, dass zwischen verschiedenen synonymen Mutationen eine Verbindung bestehen könnte. Dieser Zusammenhang könnte erklären, warum manche Patienten mit bestimmten Mutationen nicht auf Medikamente ansprechen, die zu ihrer Behandlung entwickelt wurden.

Generell ist die Untersuchung der Wechselwirkung synonymer Mutationen der Schlüssel zum Verständnis nicht nur der Tumorentstehung, sondern auch der Tumorempfindlichkeit und Arzneimittelresistenz. Derzeit untersucht Perssons Team Kombinationen synonymer Mutationen, um diesen Zusammenhang zu erklären.

Distanz zur „Tumorbehandlung“

Neben der Vertiefung des Verständnisses der Menschen für Krebs kann die Untersuchung synonymer Mutationen auch einige Vorteile für die Patienten mit sich bringen. Beispielsweise könnte es dazu genutzt werden, das Screening auf familiäre Krebserkrankungen wie Brustkrebs zu verbessern[12]. Derzeit sind etwa 5 bis 10 % der Brustkrebsfälle erblich bedingt, doch nur bei einer kleinen Anzahl dieser Fälle haben Wissenschaftler die pathogenen Mutationen entdeckt. Die Antworten auf andere pathogene Mutationen können in synonymen Mutationen gefunden werden. In Zukunft können wir diese Mutationen möglicherweise in das Krebsscreening einbeziehen, um die Indikatoren für das Krebsscreening zu verbessern.

Darüber hinaus spielt die Untersuchung synonymer Mutationen auch eine Rolle bei der Entwicklung allgemeinerer Instrumente zur Krebsdiagnose und -prognose. In einer Studie aus dem Jahr 2021[13] trainierten Forscher einen Algorithmus für maschinelles Lernen mithilfe eines Datensatzes synonymer Mutationen, die in menschlichen Krebsproben gefunden wurden, um die Krebsart und die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, dass ein Patient 10 Jahre nach der Erstdiagnose noch am Leben wäre. Als sie die Algorithmen an einer neuen Teilmenge der Daten testeten, stellten sie fest, dass ihre Genauigkeit genauso gut war wie die von Algorithmen, die nur auf nicht-synonyme Mutationen trainiert wurden. Diese Vorhersagekraft synonymer Mutationen weist nicht unbedingt auf einen krankheitsauslösenden Effekt hin, sondern spiegelt möglicherweise einfach die Mutationslandschaft in Krebsgenomen wider. Dies liefert den Wissenschaftlern eine starke Begründung dafür, synonyme Mutationen als Biomarker in Instrumente zur Tumorklassifizierung und Bestimmung geeigneter Behandlungen aufzunehmen.

Die gesamte Krebsforschung zielt letztlich auf die Behandlung ab, und Krebserkrankungen, die durch synonyme Mutationen verursacht werden, scheinen schwieriger zu behandeln als Krebserkrankungen, die durch nicht-synonyme Mutationen verursacht werden. Die meisten Therapien gegen Krebserkrankungen, die durch nicht-synonyme Mutationen verursacht werden, zielen darauf ab, das pathogene Protein zu hemmen, das durch das mutierte Gen produziert wird, während die meisten synonymen Mutationen die Struktur des endgültigen Proteins möglicherweise überhaupt nicht beeinflussen. Aber auch wenn eine synonyme Mutation keinen Einfluss auf die Proteinstruktur hat, sondern stattdessen andere Prozesse der Genexpression beeinflusst, kann sie mit den gleichen Behandlungsmethoden behandelt werden wie nicht-synonyme Mutationen. Beispielsweise kann bei Mutationen, die Veränderungen in der mRNA-Struktur verursachen, ein Antisense-Oligonukleotid verwendet werden (Antisense-Oligonukleotide binden an die RNA des Zielgens und können die Expression des Zielgens durch verschiedene Mechanismen beeinflussen), um die Auswirkungen synonymer Mutationen zu blockieren. Derzeit sind Antisense-Oligonukleotide zur Behandlung einiger Krankheiten zugelassen, beispielsweise zur Korrektur des defekten Gen-Spleißens, das die Muskeldystrophie Duchenne verursacht[14].

In den letzten Jahrzehnten wurden in der Krebsgenomik erhebliche Fortschritte bei der mechanistischen Untersuchung und Behandlung nicht-synonymer Mutationen erzielt, die Forschung zu synonymen Mutationen steht jedoch noch ganz am Anfang. In den letzten Jahren haben immer wieder neue Erkenntnisse gezeigt, dass sie einen Einfluss auf die Krebsentstehung haben. Obwohl synonyme Mutationen in der Vergangenheit ignoriert wurden, sollten Wissenschaftler ihnen nun wieder mehr Aufmerksamkeit schenken, da sich dadurch möglicherweise neue Forschungsansätze zum Wohle der Menschheit eröffnen.

Verweise

[1]Liu, F., Calhoun, B., Alam, MS et al. Fallbericht: Eine synonyme VHL-Mutation (c.414A > G, p.Pro138Pro) verursacht durch dysreguliertes Spleißen ein pathogenes familiäres Hämangioblastom. BMC Med Genet 21, 42 (2020). https://doi.org/10.1186/s12881-020-0976-7

[2]https://www.spectrumnews.org/news/synonymous-mosaic-mutations-may-autism-risk/

[3]https://www.cell.com/cell/pdfExtended/S0092-8674(14)00145-7

[4]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3746936/

[5]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30321177/

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.abp8972

[7]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12554675/

[8]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1135308?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

[9]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163272

[10]https://www.nature.com/articles/s41467-019-10489-2

[11]https://www.nature.com/articles/nprot.2006.249

[12]https://www.createhealth.lth.se/canfaster/finished-canfaster-projects/functional-analysis-of-silent-mutations-in-familiar-breast-cancer/

[13]https://www.nature.com/articles/s41525-021-00229-1

[14]https://practicalneurology.com/news/fda-approves-antisense-oligonucleotide-therapy-for-duchenne-muscular-dystrophy-subtype

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

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