Ch. Weber/Charité

AG Molekulare Tumorpathologie

Willkommen auf der Website der Arbeitsgruppe Molekulare Tumorpathologie der Charité – Universitätsmedizin Berlin.

Auf den Unterseiten finden Sie Informationen über

  • laufende und abgeschlossene Projekte,
  • Publikationen und natürlich
  • das Team

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Fokus der Forschung

Der Forschungsschwerpunkt der AG liegt auf systemmedizinisch orientierten Analysen onkogener Signalübertragung in Tumorzellen.

Durch die detaillierte Aufklärung von Organisation, Steuerung und biologischen Eigenschaften zellulärer Signalsysteme soll ein Brückenschlag zwischen Grundlagenforschung und molekularer Tumordiagnostik gelingen. Dies gilt insbesondere für die Vorhersage des klinischen Ansprechens auf zielgerichtete Therapien.

Das Labor für Molekulare Tumorpathologie wurde 1996 mit Unterstützung der Deutschen Krebshilfe, u.a. durch eine Mildred-Scheel-Professur für Prof. Reinhold Schäfer, gegründet und wird seit 2016 von Prof. Dr. Christine Sers geleitet.

Arbeitsgruppenleiterin

Prof. Dr. rer. nat. Christine Sers

Leiterin - Labor für Molekulare Tumorpathologie

Ch. Weber/Charité

Schwerpunkte der Gruppe Sers

Der Fokus der experimentell orientierten Arbeitsgruppe von Frau Prof. Christine Sers liegt auf der Tumor-spezifischen Signaltransduktion.

Die international zusammengesetzte AG arbeitet in verschiedenen Konsortien

  • des Deutschen Konsortiums für Translationale Krebsforschung,
  • des Bundesministerium für Bildung und Forschung und
  • der Europäischen Union

an Mechanismen, wie aktivierte Onkogene, z.B. RAS, Tumoren resistent gegenüber Therapien machen und wie diese Resistenzen überwunden werden können.

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter kommen aus internationalen Studiengängen wie dem Master’s Program in Molecular Medicine und Graduiertenschulen wie der Berlin School of integrative Oncology der Charité.

Aktuelle Projekte

Abgeschlossene Projekte

ColoNET - A systems biology approach for integrating molecular diagnostics and targeted therapy in colorectal cancer

Projektbeschreibung:

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 einem Systembiologie-basierten Ansatz. Dieses theoretische Modell enthält genetische und epigenetische Alterationen, Signalweg Aktivierungszustände und quantitative Proteindaten, 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.

Koordinatoren:

Christine Sers, Charité
Hanspeter Herzel, HU/Charité

Projektpartner:

Nils Blüthgen, Charité
Reinhold Schäfer, Charité
Manfred Dietel, Charité
Peter-Michael Schlag, Charité
Ulf Leser, HU
Edda Klipp, HU
Joachim Selbig, University Potsdam
Christoph Röcken, University Kiel,
Jörn Walter, University Saarland
Barbara Seliger, University Halle
Holger Sültmann, DKFZ
Microdiscovery, Berlin
Iduna Fichtner EPO, MDC

Gefördert durch:

BMBF, MedSYS
05/2009 – 12/2012

OncoPATH – The ColoNET Follow-up: Dissecting and Modelling Vulnerabilities of Oncogenic Pathways and Metabolism in Solid Cancers

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

SFB618: Modelling of signalling cascades – the impact of RAS signal transduction on transcription

Projektbeschreibung:

Within the Collaborative Reserch Center for Theoretical Biology: Robustness, Modularity and Evolutionary Design of Living Systems (SFB 618) the mechanisms of gene regulation through activated MEK/ERK signaling cascades were investigated in the reserach area "Molecular Systems" (subproject A1, jointly with Martin Vingron).

The execution of the oncogenic program is significantly influenced by large scale transcriptional alteration downstream of the RAS oncogene. Therefore we assessed some of the most frequently altered/deregulated transcription factors in detail and used a combination of experimental and theoretical approach to gain further insight into the molecular consequences of RAS activation.

Fra1 is the only AP1 member showing significantly increased levels upon comparison of HRASv12-transformed human embryonic kidney cells (HA1ER) to their immortal counterpart, HA1EB cells. From both cells, we generated genome-wide expression profiles after Fra1-siRNA-mediated knock-down by microarray expression analysis and observed large differences in the Fra1-regulated genes between the immortal and RAS-transformed cells. Functional enrichment analysis identified transcriptional regulators as a major group of Fra1-regulated genes only in the RAS-transformed cells. We confirmed Fra1-binding to regulatory regions of several of these genes by ChIP and verified HMGA1, HMGA2, AEBP1, NPAS2 and TCFL5 to be directly regulated by Fra1. Our results suggest novel regulatory feed-back mechanisms stabilizing mitogenic signalling and AP1/Fra1-dependent transcription in transformed cells thus strongly favouring a role for Fra1 as a master transcriptional regulator in tumors.

Gefördert duch:

DFG (SFB 618)
05/2009 – 06/2013


Schwerpunkte der Gruppe Schäfer

RAS-Proteine sind essentielle molekulare Schalter, die externe Signale für Wachstum, Überleben oder Differenzierung von membranständigen Rezeptoren empfangen, prozessieren und durch Interaktion mit Effektorproteinen mit dem genetischen Programm der Zelle koppeln.

Die intrazellulären Signaltransduktionsketten bestehen aus zytoplasmatischen Adapter- und Effektorproteinen (Kinasen), kleinen GTP-bindenden Proteinen und Transkriptionsfaktoren. Aufgrund ihrer hohen Komplexität können sehr unterschiedliche biologische Eigenschaften generiert werden.

Rezeptor-Amplifikationen oder RAS-Mutationen führen zur onkogenen Aktivierung der Signalkette, welche in der Folge permanent aktiviert bleibt, das genetische Programm umsteuert und die maligne Transformation auslöst. Um den Zusammenhang zwischen aktivierter Signalkette und Zielgenaktivität aufzuklären, hat die Arbeitsgruppe die Auswirkungen auf das Transkriptom systematisch erfasst und zahlreiche durch den RAS-Pathway regulierte Zielgene identifiziert.

Solche Gene werden aktiviert bzw. de novo exprimiert, aber auch reprimiert, darunter zahlreiche Tumorsuppressoren und anti-proliferative Gene. Zur funktionellen Charakterisierung der Zielgene und möglicher Regulatoren setzt die AG RNA-Interferenztechniken ein, verbunden mit der Bestimmung von Expressionsprofilen auf mRNA- und Micro-RNA-Ebene, und quantifizieren die Auswirkung auf die zell- und tumorbiologischen Eigenschaften in Zellkulturen und Mausmodellen.

Zurzeit untersucht die Arbeitsgruppe schwerpunktmäßig die Komponenten des transkriptionelle Netzwerks, das für die Deregulation der Zielgene verantwortlich ist. Zudem versucht die AG, die essentiellen Ordnungsprinzipien auf Ebene des Transkriptoms zu ergründen.

Abgeschlossene Projekte

ColoNET – Systembiologischer Ansatz zur Integration von molekularer Diagnostik und zielgerichteter Therapie beim kolorektalen Karzinom

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

Mutanom: Systembiologie genetisch bediner Erkrankungen

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

SFB618: Modellierung von Signalkaskaden – der Einfluss des RAS Signaltransduktionswegs auf die Transkription

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

Ovarialkarzinom: Molekulare und funktionelle Charakterisierung eines KRAS-Onkogen-getriebenen Tumormodells

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

Weitere Kollaborationsprojekte

Kollaboration mit der Ungarischen Akademie der Wissenschaften und der Semmelweis Universität Budapest

Meta-Analysen von Genexpressionsdaten für die prognostische Beurteilung von Tumoren und funktionelle Untersuchungen zur Therapieresistenz bei soliden Tumoren 

TREAT 1000 – Tumor Research and Treatment

Vor kurzem wurde das internationale Kollaborationsprojekt TREAT 1000 (Tumor Research and Treatment) gestartet. Ziel der Projektpartner aus dem Charité Comprehensive Cancer Center, dem Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik und dem Genomzentrum der Harvard Medical School ist es, bis zu 1000 Tumorgenome vollständig zu sequenzieren und Mutationsmuster, Expressionsprofile und weitere Eigenschaften mit klinischen Parametern zu korrelieren. Daraus ergibt sich ein umfassendes Bild der in den Tumorzellen aktiven Signalketten und Regulationssysteme. Diese werden verwendet, um Therapieempfehlungen auf Grundlage vorhandener Inhibitoren zu erarbeiten. Auf diese Weise wird das Zukunftskonzept der personalisierten Tumormedizin konsequent verfolgt. mehr Information über TREAT1000

Labor für funktionelle Genomforschung (LFGC) – Core Facility der Charité

Prof. R. Schäfer leitet zusammen mit Prof. Christian Hagemeier, Labor für pädiatrische Molekularbiologische der Kinderklinik, die Charité Core Facility. Das Labor hat sich auf die Mikroarraytechnologie spezialisiert und stellt seine Expertise allen Arbeitsgruppen aus der Fakultät zur Verfügung. In jüngerer Zeit hat sich das Angebotsspektrum des LFGC stark erweitert. Es werden neben der Affymetrix-Technologie weitere Array-Plattformen vorgehalten, u.a. auch für die Detektion von Micro-RNA. Darüber hinaus bietet das LFGC in Zusammenarbeit mit Prof. Achim Kramer, AG Chronobiologie der Charité, eine lentivirale sh-RNA Bibliothek für funktionelle Studien an. Nähere Informationen zur Core Facility LFGC finden Sie hier.


Studium und Lehre

  • Die AG Molekulare Tumorpathologie beteiligt sich an der Lehre in Molekularpathologie in enger Abstimmung mit dem Pathologie-Pflichtlehrprogramm im Humanmedizinstudiengang und im internationalen Master Programm in Molekularer Medizin. Themen für naturwissenschaftliche und experimentelle medizinische Doktorarbeiten werden ständig vorgehalten.
  • Darüber hinaus koordiniert die AG das Wahlpflichtmodul „Klinische und Molekulare Tumorpathologie“ (M24) im Modellstudiengang Humanmedizin der CharitéUniversitätsmedizin Berlin. Dieses Modul stellt einen Brückenschlag zwischen präklinischer Tumorforschung und klinischer Anwendung dar. Ansprechpartner: PD Dr. Markus Morkel 
  • Zum Portal für Studierende und Lehrende der Medizin und Zahnmedizin an der Charité "CampusNet".