AG Molekulare Tumorpathologie

Projektbeschreibung ColoSYS

Darmkrebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Biomarker Analysen erlauben derzeit Aussagen darüber, ob Patienten auf eine Therapie mit EGFR Inhibitoren ansprechen. Weitere Biomarker, die eine personalisierte Therapie der Patienten ermöglichen würden, sind jedoch rar. Das Verständnis, wie genetische Netzwerke Tumorwachstum vorantreiben, wie sie die Therapie modulieren und wie sie Resistenz induzieren, ist nach wie vor unzureichend.

Mit der Verfügbarkeit großer, öffentlich zugänglicher Datensammlungen, Standort-internen Sammlungen von Patientenproben und Patienten-abgeleiteten Modellen sowie ausgereiften bioinformatischen und experimentellen Ansätzen, zielt das COLOSYS Konsortium darauf ab, in silico Prädiktoren für das Therapieansprechen zu entwickeln. Diese sollen dann basierend auf Patienten-spezifischen Driver- und Resistenz-Mechanismen eingesetzt werden.

Durch die Integration verschiedenster Datentypen aus großen Tumor- und Zellliniendatenbanken werden neue Kolonkarzinom-spezifischen Driver identifiziert. Für die Erstellung von multi-Skalen Computer Modellen der molekularen Netzwerke, verantwortlich für das Wachstum der Tumorzellen, wird eine qualitativ hochwertige "Open-Source" Datenbank erstellt. Um die Effekte von Substanzen vorhersagen zu können, werden Simulationen mit Hilfe von logistischen und dynamischen Modellen eingesetzt werden. Die daraus abgeleiteten Vorhersagen werden anschließend in Zellkulturen, Organoiden und Maus-Xenografts getestet.

Konsortium

Koordinator:

Prof. Martin Kuiper
Norwegian University of Science and Technology
Trondheim, Norway

Projektpartner:

1. Prof. Christine Sers
   Molekulare Tumorpathologie, Charité–Universitätsmedizin Berlin
2. Dr. Emmanuel Barillot Institut Curie
   Paris, Frankreich
3. Prof. Alfonso Valencia
   Spanish National Center for Cancer Research (CNIO)
   Madrid, Spanien
4. Prof. Lodewyk Wessels
   The Netherlands Cancer Institute, Amsterdam

Projektbeschreibung

Neuroendokrine Tumoren (NETs) gehören zu den seltenen Tumorenitäten mit steigender Inzidenz. Die Tumoren entstehen aus den neuroendokrinen Zellen und haben Eigenschaften endokriner (sezernierender) und neuronaler Zellen.

Patientinnen und Patienten werden im Schnitt im Alter von 56 Jahren diagnostiziert und mit verschiedensten Therapeutika behandelt. Bislang berücksichtigt keine Behandlung die genetische Heterogenität der Tumoren. Pankreatische Neuroendokrine Tumoren (pNETs) bilden eine (heterogene) Subgruppe der NETs, sie machen etwa 30% NETs aus. Der größere Teil sind gut differenzierte G1/G2 Tumoren, ein kleinerer Teil sind undifferenzierte, aggressive G3 Tumoren.

Eine Haupthypothese des Vorhabens ist, dass eine deutliche Verbesserung des Therapieerfolges bei pNETs durch einen gezielten systembiologischen Ansatz erreicht werden kann, bei dem das Patienten-individuelle Mutations- und Expressionsprofil des Tumors berücksichtigt wird. Hier sollen (Patienten)-individuelle biologische Veränderungen im Tumor (Mutationen, Expression, Aktivierung) in einem kombinierten mathematischen MAPK-PI3K-mTOR Modell abgebildet werden. Dieses Modell soll dann möglichst genaue Vorhersagen machen können, ob verfügbare oder zukünftig einzusetzende therapeutische Interventionen in diesen Signalwegen erfolgreich sind, oder ob mit "Escape-Mechanismen" im Sinne einer Therapieresistenz zu rechnen ist.

Daraus werden tiefer gehende Einblicke in die Mechanismen der pNET Tumoren erwartet und prädiktive Marker für eine individualisierte Therapie abgeleitet, die in der Routine-Diagnostik einsetzbar sind.

Konsortium

Koordinatorin:

Prof. Dr. Christine Sers - Coordinator
Institute of Pathology (Charité – Universitätsmedizin Berlin)

Projektpartner:

1. Prof. Dr. Kathrin Thedieck
   Institut für Biologie und Umweltwissenschaften, Neurogenetik
   Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, D
   University Medical Center Groningen, Center for Liver, Digestive and Metabolic Diseases and Systems Biology Centre for Metabolism and Ageing, University of Groningen, NL
2. Prof. Dr. Nils Blüthgen
   Institute of Pathology, Systems Biology of Molecular Networks
   Charité, Universitätsmedizin Berlin
3. Prof. Dr. med. Marianne Pavel
   Medizinische Klinik m. S. Hepatologie und Gastroenterologie
   Charité, Universitätsmedizin Berlin
   Now:
   Universitätsklinikum Erlangen
   Leiterin Schwerpunkt Endokrinologie und Diabetologie
4. Dr. Katharina Detjen
   Medizinische Klinik m. S. Hepatologie und Gastroenterologie
   Charité, Universitätsmedizin Berlin
5. Prof. Dr. Ulf Leser
   Institute for Computer Science
   Humboldt-Universität zu Berlin

Projektbeschreibung

OncoPATH hat zum Ziel, bei kolorektalen Karzinomen die qualitativen und quantitativen Auswirkungen häufiger genetischer und epigenetischer Alterationen auf die Signalwege und metabolischen Netzwerke der Tumorzellen zu analysieren.

Die Veränderungen sollen in ein mathematisches Modell integriert und funktionell analysiert werden. Dadurch wird das theoretische Modell sukzessive angepasst und verbessert und wird so gleichermassen zum Pendant einzelner experimenteller Modelle (z.B. eine Zellinie) oder sogar individueller Patienten. Das Modell kann dann eingesetzt werden, um therapeutische Interferenzen zu simulieren und neue therapeutische Möglichkeiten vorzuschlagen.

Koordinatoren:

Prof. Nils Blüthgen, Charité–Universitätsmedizin Berlin
Prof. Christine Sers, Charité – Universitätsmedizin

Verbundpartner:

1. Reinhold Schäfer, Charité – Universitätsmedizin
2. Markus Morkel, Charité – Universitätsmedizin
3. Ulf Leser, Humboldt Universität zu Berlin
4. Edda Klipp, Humboldt Universität zu Berlin
5. Tilmann Brummer, Institute of Molecular Medicine and Cell Research, University of Freiburg
6. Stefan Legewie, Institute of Molecular Biology, Mainz
7. Stefan Kempa, Max Delbrück Center for Molecular Medicine
8. Iduna Fichtner, EPO GmbH, Berlin

Gefördert durch:

BMBF, e:BIO

Teilprojekt: Molekulare Analyse experimenteller Modelle für das kolorektale Karzinom, insbesondere Analyse zur Dynamik von Schlüssel-Signalwegen mittels gezielter Interferenzexperimente mehr Information über ColoNet

Das kolorektale Karzinom ist die zweithäufigste Krebserkrankung in Deutschland und eine der häufigsten Todesursachen nach Tumordiagnose. Neue Kombinationstherapien und die Entwicklung zielgerichteter Therapeutika wie Cetuximab haben die 5-Jahres-Überlebensrate auf 60% ansteigen lassen, trotzdem entstehen für palliative oder unwirksame Therapien Kosten in Höhe von ca. 50.000 € pro Patient und Jahr. Mit Hilfe zusätzlicher, in der Routine-Diagnostik einsetzbarer Biomarker könnten diese Kosten zum Teil vermieden werden. Ziel des Projektes "ColoNET" ist die Erstellung eines in silico Modells der wichtigsten Signalweg-Prozesse im kolorektalen Karzinom mit Hilfe eines Systembiologie-basierten Ansatzes. Dieses theoretische Modell enthält genetische und epigenetische Alterationen, zum Teil quantitative mRNA und Protein Expressionsdaten sowie Signalweg Aktivierungs-zustände, die im kolorektalen Karzinom mögliche Informationen für eine prädiktive Aussage bei gezielten therapeutischen Interventionen am EGF-Rezeptor liefern. Von einem solchen Netzwerk-Modell wird langfristig eine Hilfestellung zur Verbesserung der therapeutischen Prädiktion erwartet. Dies soll durch ein tiefgreifendes Verständnis der Struktur Rezeptor-getriebener Signaltransduktions-Prozesse und deren Verhalten unter bestimmten therapeutischen Eingriffen erreicht werden. 

Das Teilprojekt generiert genomweite mRNA-Expressionsdaten aus Kolonkarzinomlinien und Tumoren. Zum Teil werden bereits vorhandene Expressionsdaten für die zu entwickelnde Datenbank (Colo Base) zur Verfügung gestellt. Außerdem werden experimentelle Daten zu Pertubationsexperimenten in Rezeptortyrosinkinase / RAS-Signaltransduktionsketten und nach geschalteten Pathways erhoben. Dies erfolgt mithilfe konventioneller Methoden und mit dem im Rahmen der Vorarbeiten etablierten Verfahren der Reverse Phase Protein Arrays (RPPA).

Es existieren auch bereits Daten über die Expression und den Phosphorylierungs-status von Signalproteinen nach Hemmung der Signalkette mit Hilfe von in der klinischen Therapie bereits eingesetzten und experimentellen Inhibitoren. Neu etabliert wird die Phosphoplex- Plattform, welche die effektive und simultane Bestimmung phosphorylierter Effektorporteine und Substrate ermöglicht und als Ergänzung zu den RPPA dient.

Das Teilprojekt dient somit auf mehreren Ebenen als experimentelle Plattform für die Erhebung und Validierung der Kolontumormodelle und als analytische Plattform für die laufenden Tumorstudien. 

Förderung: BMBF, MedSys-Programm

Teilprojekt: Auswirkung von Krebsgenmutationen auf das zelluläre Signalnetzwerk und den transformierten Phänotyp. mehr Infomationen über Mutanom

Ziel des Teilprojektes ist es, die biologische Aktivitäten mutierter Krebsgene in Modellzellsystemen zu bestimmen. In Zellkulturen werden Tests durchgeführt, welche die Auswirkung mutierter Proteine auf die Proliferation, das Zellüberleben, Ankerunabhängigkeit und epithelial-mesenchymale Transition als in vitro-Korrelate der Tumorigenität bzw. Invasivität/Metastasierung sowie weitere Parameter erfassen. Darüber hinaus werden mechanistische Fragen zur biologischen Aktivität der Kandidaten-Proteine gestellt, insbesondere zu ihrer Rolle in zellulären Signalnetzwerken mit Schwerpunkt auf dem Rezeptor-Tyrosinkinase/RAS-Signalsystem und den Wechselwirkungen mit anderen krebsrelevanten Signalwegen.

Ziele:

1. Erforschung der potentiellen onkogenen Aktivität mutierter Kandidaten-Gene in nicht transformierten Zellen
2. Erforschung der transformationshemmenden Aktivität potentieller Tumorsuppressorgene in Krebszellen mittels forcierter Expression oder in geeigneten nicht transformierten Zellen mittels RNA-Interferenz
3. Untersuchung der Wirkung von transformationsfördernden und anti-proliferativen Kandidatengenen auf zelluläre Netzwerke der Signaltransduktion und das genetische Programm (Transkriptom) 

Förderung: BMBF, NGFN Plus

Sonderforschungsbereich 618 – Theoretische Biologoe: Robustheit, Modularität und evolutionäres Design lebender Systeme, Teilprojekt A3 (zusammen mit Nils Blüthgen) mehr Information über SFB618

Förderung: DFG/SFB 618

Recently, the RAS pathway hit the headlines of translational cancer research again due to the finding that KRAS mutations have an impact on the clinical response toward receptor-targeted cancer therapies. Mutational activation of KRAS is primarily associated with therapy resistance, while wild-type KRAS activity is associated with a therapeutic benefit, however, only in a subset of cancer patients. At present, therapy responders and non-responders cannot be distinguished in molecular terms. Treatment allocation based on detailed knowledge of the molecular mechanisms is not possible. Therefore, signalling processes downstream of the RAS molecular switch are among the prime candidate mechanisms to be screened for clinically relevant alterations. Particularly, studying stimulus-response characteristics, dynamics and feedback regulation of the RAS/MAPK pathway and of other RAS-dependent pathways as well as assessing the integration of pathway activation with the transcriptional program are of utmost importance for defining functionally relevant nodes for therapeutic intervention and for identifying prognostic parameters.

During the past funding period, we have addressed several themes related to RAS/MAPK pathway dynamics. Using mathematical models, we investigated ultrasensitivity, bistability and feedback regulation in MAPK signaling. The models were experimentally tested in cell populations and in single cells stimulated by growth factors or by expression of conditional RAS genes. By expression profiling and the development of a new algorithm, which predicts biological functions regulated by a combinatorial interaction of transcription factors, we identified dual specificity phosphatases (DUSPs) as MAPK-dependent target genes involved in negative feedback regulation. Mathematical models were fitted to experimental time-series of MAPK activation and phosphatase expression. By mining microarray data and results from the literature we also confirmed that transcriptional negative feedback is a general design pattern in PI3K, cAMP, SMAD and STAT signalling pathways.

During the current funding period (until 2013), we (1) aim to investigate the noise/reliability in the expression of MAPK targets and downstream transcriptional networks identified before, to refine our predictions and to further underpin them with experimental data. Specific questions are as follows: How homogeneously do direct target genes respond, how does the noise in gene expression transmit into downstream transcriptional networks and does it rise in magnitude? (2) We have identified about 50 differentially regulated transcription factors in RAS-transformed epithelial cells compared to normal precursor cells. Seven factors have been selected for a series of RNAi-based pertubation experiments. Modular response analysis (MRA), a reverse engineering approach, is used to deduce transcription factor interactions. We plan to extend MRA and other computational methods to the entire set of transcription factors. Phenotypic read-outs of pertubation experiments established in the previous period will be used to study the biological consequences of network interference with respect to proliferation and neoplastic transformation. (3) The RAL pathway is gaining increased importance as the third major pathway downstream of RAS, particularly in model systems based on human cells as well as in tumours. Our previous expression profiling studies have identified functionally relevant target genes, grouped in a KRAS-dependent transcriptional module that responds neither to MAPK nor to PI3K pathway signals. We plan to investigate the role of the Ral pathway in the transcriptional and phenotypic response, using approaches developed for the MAPK pathway.

Förderung: DFG/SFB 618

Auf der Grundlage von kultivierten Ovarialepithelzellen haben wir ein Modell für das Oarialkarzinom etabliert. Zur Simulation der onkogenen Signalwegsaktivierung, die in der klinischen Situation u.a. über membranständige Rezeptoren erfolgt, wurde ein mutiertes KRAS Gen eingeführt und exprimiert. Die manipulierten Zellen zeigen die typischen in vitro Kriterien der malignen Transformation wie ankerunabhängige Proliferation, epithelio-mesenchymale Transition (EMT) und Motilität.

Nach Injektion in thymusaplastische Mäuse werden rasch progressiv wachsende Tumoren gebildet, unabhängig davon, ob die Injektion subkutan oder intraperitoneal erfolgt. Der maligne Phänotyp ist mit zahlreichen Alterationen der Genexpression assoziiert. Um die kausale Rolle dieser Veränderungen und die Mechanismen der Deregulation zu verstehen, werden funktionelle Experimente durchgeführt. Zum Beispiel untersuch die Arbeitsgruppe die Rolle des HMGA2-Proteins, eines architektonisschen Transkriptionsfaktors,  in den KRAS-transformierten Ovarialepithelzellen. Dazu wird die HMGA2-Expression mittels RNA-Interferenz unterdrückt und die Auswirkung auf Proliferation, EMT und Ankerunabhängigkeit bestimmt. Zum Vergleich wird ein HMGA2-Expressionsvektor in phänotypisch normale Ovarialepithelzellen eingeschleust, um herauszufinden, ob HMGA2 selbst direkte onkogene Effekte im Ovarialepithel aufweist.

In den manipulierten Zellen wird die Transkription von KRAS-responsiven Zielgenen mittels Mikroarray analysiert. Dazu hat die Arbeitsgrupppe einen spezifischen Mikroarray (RASTA, Ras Target Array) generiert, welcher ca. 300 validierte RAS-Zielgene repräsentiert. Des Weiteren sollen mithilfe bioinformatischer Methoden Bindungsstellen für spezifische Transkriptionsfaktoren in den HMGA2-abhängig regulierten Zielgenen identifiziert werden, um die Rolle des Faktors im  Zusammenwirken mit spezifischen Transkriptionsfaktoren zu verstehen und weitergehende funktionelle Analysen des Kontroll-Netzwerks zu ermöglichen.

Förderung: Berliner Krebsgesellschaft