Mitochondriale DNA-Variationen: Schlüsselakteure bei der Krebsentwicklung und -progression

Mutationen innerhalb des mitochondriale DNA (mtDNA) Sequenz werden häufig in bestimmten Tumorarten beobachtet. Es gibt zwei erkennbare Kategorien von mtDNA-Varianten, die mit Krebs assoziiert sind: de novo Mutationen, die als onkogene "Induktoren" wirken, und funktionale Varianten, die als "Adapter" dienen und es Krebszellen ermöglichen, in unterschiedlichen Umgebungen zu gedeihen. Diese mtDNA-Varianten stammen aus drei Quellen: erblichen genetischen Variationen, die in Familien vorkommen, somatischen Mutationen, die innerhalb einzelner Zellen auftreten, und Varianten, die mit alten mtDNA-Linien (Haplogruppen) verbunden sind, die für ihre Anpassungsfähigkeit an sich verändernde organisatorische oder geografische Bedingungen bekannt sind.

Über Variationen in der mtDNA-Sequenz hinaus, Veränderungen in mtDNA-Kopienzahlen und der potenzielle Transfer von mtDNA-Sequenzen in den Zellkern könnte ebenfalls zur Entwicklung bestimmter Krebsarten beitragen. Die funktionale Bedeutung von mtDNA-Varianten wurde eindeutig in eosinophilen Zelltumoren und Prostatakrebs nachgewiesen. Darüber hinaus wurden mtDNA-Varianten in einer Vielzahl anderer Krebsarten berichtet.

Die entscheidende Rolle des mitochondrialen Stoffwechsels bei Krebs wird durch Modifikationen in mitochondrialen Genen kodiert durch nukleäre DNA, die die Produktion von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies, den Redoxzustand und mitochondriale Zwischenprodukte beeinflusst – essentielle Substrate für chromatinmodifizierende Enzyme. Folglich können selbst subtile Veränderungen im mitochondrialen Genotyp tiefgreifende Auswirkungen nicht nur auf den Zellkern, sondern auch auf die Prozesse der Karzinogenese und des Krebsfortschritts haben.

Mitochondriale DNA (mtDNA) Variation und ihre Auswirkungen auf den Stoffwechsel

Die primäre Quelle der zellulären Energie sind die Mitochondrien, die Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen. Dieser Energieproduktionsprozess ist auf die Anwesenheit von Sauerstoff und eine oxidierbare Kohlenstoffquelle, wie Glukose, angewiesen. Während Glukose metabolisiert wird, um Wasser und Kohlendioxid zu produzieren, wird gleichzeitig ATP zusammen mit mehreren energiereichen Zwischenprodukten erzeugt. Die Produktion dieser Zwischenprodukte ist eng mit dem Status des mitochondrialen Genoms verbunden. Onkogene Mutationen innerhalb mitochondrialer Gene können die Enzyme des Zitronensäurezyklus stören, was zu Veränderungen der mitochondrialen Metabolitenlevel führt.

Mitochondriale DNA-Varianten können induktive und adaptive Rollen in der Onkogenese spielen. (Kopinski et al., 2021)

Klinisch gibt es drei Hauptkategorien von relevanten. mtDNA-Varianten.

• Die erste Kategorie umfasst maternale vererbte Varianten, die aus der weiblichen Keimbahn stammen. Zunächst entstehen diese Varianten in einer Zelle, die von normalem mtDNA dominiert wird, was zu einem gemischten Zytoplasma führt, das sowohl Varianten- als auch Referenz-mtDNA enthält, ein Zustand, der als Heterozygotie bezeichnet wird.
• Eine zweite Klasse klinisch signifikanter mtDNA-Varianten entsteht in Oocyten während der Entwicklung oder innerhalb somatischer Gewebe im Laufe des Lebens eines Individuums. Diese Mutationen umfassen Basenaustausch und Deletionen, die mit dem Alter zunehmen und potenziell zum Prozess des biologischen Alterns beitragen. Deletionen können zu einer Vielzahl von Symptomen führen, abhängig von ihrer Verteilung innerhalb der Gewebe und dem Grad der Heterogenität. Beispiele sind das Pearson-Syndrom, das Kearns-Sayre-Syndrom und die chronisch progressive externe okulomotorische Lähmung.
• Die dritte Gruppe klinisch relevanter mtDNA-Varianten besteht aus alten Varianten, die während der menschlichen Migration sowohl in Afrika als auch weltweit entstanden sind. Aufgrund ihres alten Ursprungs sind diese Varianten innerhalb spezifischer Populationen relativ einheitlich geworden. Als Menschen in neue geografische Umgebungen migrierten, wurden vorteilhafte funktionale Varianten natürlich ausgewählt, was zur Entstehung unterschiedlicher regionaler Populationen führte, die durch einzigartige Sets von mtDNA-Haplotypen, bekannt als Haplogruppen. Zum Beispiel, als Menschen aus Afrika nach Eurasien und in die Amerikas migrierten, verließen nur zwei primäre mtDNA-Haplotypen den afrikanischen Kontinent. Nachfolgende Generationen erwarben zusätzliche Varianten, während sie sich an ihre neue Umgebung anpassten.

Umfassende mtDNA-Sequenzierung entschlüsselt die genetischen Hinweise auf Krebs.

Durch sorgfältige Prüfung von Whole Exome Sequencing (WES) und Whole Genome Sequenzierung (WGS) Daten, die aus dem Cancer Genome Atlas (TCGA) stammen, haben verschiedenen Forschungsteams ermöglicht, potenzielle Korrelationen zwischen Varianten der mitochondrialen DNA (mtDNA) und Krebs zu entdecken. Im Wesentlichen besteht das Hauptkriterium, das verwendet wird, um die Relevanz dieser mtDNA-Varianten für Krebs festzustellen, darin, dass sie in den Tumorproben von Patienten im Gegensatz zu den angrenzenden normalen Geweben vorhanden sind, wie durch mtDNA-Sequenzierung gezeigt. Dieser Ansatz hat eine beträchtliche Anzahl von Kandidaten-mtDNA-Varianten hervorgebracht, die potenzielle Verbindungen zu Krebs aufweisen.

Menschliche mtDNA-Karte mit repräsentativen Varianten. (Kopinski et al., 2021)

Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Pathogenität dieser mit Krebs assoziierten mtDNA-Varianten in der Mehrheit der umfangreichen Forschungsstudien und zahlreichen tumorspezifischen Untersuchungen nicht abschließend festgestellt wurde, trotz der gewonnenen Erkenntnisse aus mtDNA-SequenzierungDieser Mangel an bestätigenden Beweisen ist teilweise auf die komplexe Beziehung zwischen mtDNA-Varianten und ihren biologischen Implikationen zurückzuführen, die erheblich variieren können, abhängig von Faktoren wie Gewebetyp, dem Tumormikroumfeld und dem Genotyp der nukleären DNA (nDNA).

Die Kriterien zur Bewertung der Pathogenität spezifischer mtDNA-Varianten umfassen die Notwendigkeit unabhängiger, replizierter Beobachtungen dieser Mutationen im Tumormilieu sowie den Nachweis assoziierter biochemischer Defekte, die durch mtDNA-Sequenzierungdie Übertragung biochemischer Effekte von einer Zelle zur anderen durch mtDNA und die Etablierung dieser Assoziationen ohne Einfluss von nDNA oder krankheitsspezifischen Faktoren.

Bis heute sind die einzigen mtDNA-Mutationen bei Krebs, die einer so rigorosen Prüfung unterzogen wurden, einschließlich mtDNA-Sequenzierung, die in Fällen von Prostatakrebs und eosinophilen Tumoren beobachtet wurden.

Tumor-assoziierte mitochondriale DNA-Mutationen

Zahlreiche Studien haben sich mit der Präsenz von mitochondrialen DNA (mtDNA) Varianten in bestimmten Tumorarten beschäftigt. In einigen Fällen dient die kumulative Last erworbener mtDNA-Varianten als potenzieller Biomarker für Tumorigenität. Zum Beispiel, die Erkennung von mtDNA-Mutationen In Zellen, die mit Prostatakrebs assoziiert sind, können zu einem erhöhten tumorigenen Potenzial beitragen. Mit Prostatakrebs verbundene mtDNA-Mutationen treten häufig zusammen mit nucleosom-gesteuerten Ereignissen auf, was die entscheidende Rolle von mtDNA-Mutationen als Co-Initiatoren in der Krebsentwicklung betont. Darüber hinaus gibt es aufkommende Beweise, die darauf hindeuten, dass mtDNA-Mutationen als Tumorförderer bei zystischem Schilddrüsenkarzinom, Brustkrebs, Bauchspeicheldrüsenkrebs, gynäkologischen Malignitäten, Metastasen des Lungenadenokarzinoms und akuter myeloischer Leukämie wirken können. Im Gegensatz dazu scheint die Rolle von mtDNA-Varianten bei Glioblastomen von begrenzter Bedeutung zu sein.

Mitochondriale Genmutationen und Regulation des Krebs-Epigenoms

Die Regulation der Genexpression im Zellkern wurde umfassend untersucht und ist bekannt dafür, verschiedene zu beinhalten epigenetische Modifikationen von DNA und HistonenDiese Modifikationen sind eng mit den von Mitochondrien produzierten Metaboliten verbunden. Die Acetylierung von Histonen beispielsweise beruht auf Acetyl-Coenzym A, einem Molekül, das aus Citrat abgeleitet ist. Dieser Acetylierungsprozess kann von NAD-abhängigen Sirtuinen rückgängig gemacht werden. Andererseits hängen die Methylierung von Histonen und DNA von S-Adenosylmethionin ab, das von Enzymen, die α-Ketoglutarat (α-KG) als Substrat nutzen, rückgängig gemacht werden kann. Interessanterweise kann α-KG selbst durch Succinat und Fumarat gehemmt werden. Darüber hinaus operiert eine bedeutende Gruppe von Chromatin-Remodellierungsproteinen auf ATP-abhängige Weise.

Bemerkenswert ist, dass Mutationen in Genen, die für die Codierung von IDH1 und IDH2 verantwortlich sind, Enzyme, die die Umwandlung von Isocitrat zu α-KG katalysieren, mit verschiedenen Krebsarten wie Gliomen, akuten myeloischen Leukämien und mehreren soliden Tumoren in Verbindung gebracht wurden. α-KG dient als Cofaktor für α-KG-abhängige Dioxygenasen, einschließlich der Jumonji C (JmjC) Histon-Demethylasen und der Ten-Eleven Translokation (TET) Dioxygenase-Familie, die beide eine entscheidende Rolle bei den Prozessen der DNA-Demethylierung spielen.

Mitochondriale Biologie und Stoffwechsel und ihre Beziehung zum Epigenom. (Kopinski et al., 2021)

Heterogene Veränderungen der mtDNA und Tumorepigenom

Dieses Konzept erhält substanzielle Unterstützung durch eine vergleichende Analyse der Methylierungsmuster von nukleärer DNA (nDNA) in verschiedenen Zelllinien: Osteosarkom 143B-Zellen, Brustkrebs MDA-MB-435-Zellen und permanente Brustepithelzellen MCA 12A, sowohl mit als auch ohne intakte mtDNA. Der Verlust von mtDNA führt zu merklichen Veränderungen in den Methylierungsprofilen der CpG-Inseln. Bemerkenswerterweise stellt die Wiederherstellung von mtDNA in diesen Zellen die Methylierung der CpG-Inseln teilweise wieder her.

Weiterhin unterstreicht dieses Phänomen, dass eine Tumorprobe, die von einem Patienten mit Nierenzellkarzinom entnommen wurde, das Vorhandensein der mtDNA tRNALeu(UUR) (MT-TL1) m.3243A>G, G Allelmutation im Tumorgewebe aufwies, mit einer Mutationslast von 89%. Im Gegensatz dazu enthielten die Nieren des Patienten etwa 50% mtDNA, die die m.3243A>G, G Allelmutation trugen.

Referenz:

1. Kopinski, Piotr K., et al. "Variationen der mitochondrialen DNA und Krebs." Nature Reviews Krebs 21.7 (2021): 431-445.