Systembiologie der Signaltransduktion

Brücke von der Einzelzelle zur Zellpopulation – Lernen aus Mechanismen, die Erythropoetin (Epo)-induzierte Zellantworten und Erythroleukämie steuern

Ein gesunder Mensch produziert pro Sekunde 2,5 Millionen rote Blutkörperchen (Erythrozyten). Trotz dieser hohen Proliferationsrate ist Erythroleukämie relativ selten. Der Schlüsselregulator der Erythropoese ist das Hormon Erythropoetin (Epo), das von der Niere ausgeschüttet wird und primär auf erythroide Vorläuferzellen im Stadium der Colony-Forming Unit-Erythroid (CFU-E) wirkt. CFU-E-Zellen exprimieren den Epo-Rezeptor (EpoR) und benötigen Epo für ihr Überleben, ihre Proliferation und Differenzierung. Da diese Zellen leicht zugänglich sind und in vitro kultiviert werden können, eignet sich dieses System hervorragend zur Etablierung von Strategien für die Erzeugung hochwertiger Daten und zur Weiterentwicklung mathematischer Modellierungsansätze zur Aufklärung regulatorischer Schlüsselmechanismen. Während auf Populationsebene eine abgestufte Zunahme des Überlebens von CFU-E-Zellen als Reaktion auf Epo-Stimulation beobachtet wird, ist das Überleben auf Einzelzellebene eine binäre Entscheidung. Durch mathematische Modellierung konnten wir zeigen, dass die Heterogenität der Epo-induzierten STAT5-Phosphorylierung auf Variabilität in membranassoziierten Prozessen und im Zytoplasmavolumen zurückzuführen ist und eine Überlebensschwelle definiert. Das zytoplasmatische Volumen der CFU-E-Zellen wandelt also ein schalterartiges Verhalten in einzelnen Zellen in abgestufte Reaktionen auf Populationsebene um (Adlung et al., Cell Rep 2021). In Abwesenheit von EpoR versagt die Hämoglobinproduktion in CFU-E-Zellen, und in der fetalen Leber von EpoR-Knockout-Embryonen wird eine massive Eisenüberladung beobachtet, die mit einer Verringerung der an der oxidativen Phosphorylierung beteiligten Eisen-Schwefel-Cluster-Proteine einhergeht. Daher erweist sich die Verbindung zwischen Erythropoese, Regulierung der Eisenhomöostase und metabolischer Reprogrammierung als entscheidend für den Schutz des Embryos vor Eisenintoxikation und sein Überleben (Chakraborty et al., Cell Rep 2022). Derzeit werden die umfassenden dynamischen Signalwegmodelle, die für die Epo-induzierte Signaltransduktion in CFU-E-Zellen und zellulären Modellsystemen etabliert wurden (Schilling et al., Mol Syst Biol 2009; Becker et al., Science 2010, Bachmann et al., Mol Syst Biol 2011, Adlung et al., Mol Syst Biol 2017), an die Situation in von Patienten stammenden Erythroleukämiezellen angepasst, um Mechanismen zu entschlüsseln, die zum Fortschreiten der Krebserkrankung beitragen, und um vielversprechende Interventionsstrategien vorzuschlagen.

Entschlüsselung von Wechselwirkungen in der Tumormikroumgebung, die die Entwicklung von Lungenkrebs bestimmen

Lungenkrebs ist nach wie vor eine Krankheit mit hoher Inzidenz und hoher Sterblichkeit. Die häufigste Form des nicht-kleinzelligen Lungenkarzinoms (NSCLC) ist das Adenokarzinom der Lunge (LUAD), gefolgt vom Plattenepithelkarzinom (LUSC). Der transformierende Wachstumsfaktor beta (TGFβ) spielt bei Krebs eine doppelte Rolle, da er als Tumorsuppressor entdeckt wurde, aber auch den epithelialen-to-mesenchymalen Übergang (EMT) bei metastasierenden Erkrankungen begünstigt. Da hohe TGFβ-Konzentrationen mit einem schlechten Ergebnis bei Lungenkrebs korreliert sind und TGFβ als Schlüsselfaktor für den Umbau der extrazellulären Matrix (ECM) identifiziert wurde, ist es von besonderer Bedeutung, seine komplexe Rolle in der Tumormikroumgebung bei Lungenkrebs zu entschlüsseln. Wir haben durch phänotypische Studien und zeitaufgelöstes Next Generation Sequencing gezeigt, dass TGFβ die Hochregulierung des Nicht-Muskel-Myosins MYO10 induziert. Interessanterweise zeigten unsere Studien, dass das Expressionsverhältnis von MYO10 im Tumor und im tumorfreien Gewebe prognostisch für das Gesamtüberleben von LUSC-Patienten ist und die Vorhersage des Ansprechens auf eine Chemotherapie erleichtert (Dvornikov et al., Sci Rep 2018). Das Fortschreiten des Tumors hängt jedoch nicht nur von Veränderungen in der Krebszelle ab, sondern wird auch stark von der Kommunikation innerhalb der Mikroumgebung des Tumors beeinflusst. Die Bedeutung der Fibroblasten bei der Entstehung von Lungenkrebs wird durch die Beobachtung unterstrichen, dass Patienten mit idiopathischer Lungenfibrose (IPF) ein erhöhtes Risiko haben, Lungenkrebs zu entwickeln. In alveolären Typ-2-Zellen eines IPF-Mausmodells, das einen konditionalen Knockout der Ubiquitin-Ligase Nedd4-2 aufweist, beobachteten wir eine verstärkte TGFβ-induzierte SMAD-Signaltransduktion und eine erhöhte Expression von Komponenten, die mit dem Umbau der extrazellulären Matrix verbunden sind (Duerr et al., Nature Commun 2020). Derzeit entwickeln wir ein dynamisches Modell der TGFβ-Signaltransduktion, um die Auswirkungen des ECM-Umbaus und der Zell-Zell-Kommunikation auf Lungenkrebszellen quantitativ zu erfassen. Wir untersuchen von Patienten stammende Proben, um mechanismusbasierte Biomarker für die Früherkennung von Lungenkrebs und geschlechtsspezifische Unterschiede aufzudecken.

Mechanismen zur Kompensation von Leberschäden und modellbasierte Biomarker zur Früherkennung von Leberkrebs

Die Leber spielt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel und der Entgiftung. Da sie ständig schädlichen Einflüssen ausgesetzt ist, verfügt sie über eine bemerkenswerte Regenerationsfähigkeit. Diese Prozesse müssen jedoch streng reguliert werden, um die physiologische Funktion zu erhalten. Wir identifizierten mithilfe modellbasierter Selektion die drei relevantesten SMAD-Komplexe in Leberzellen. Unser mathematisches Modell legt nahe, dass erhöhte SMAD-Proteinspiegel und SMAD2-Phosphorylierung Kennzeichen von Leberkrebs sind (Lucarelli et al., Cell Syst 2018). Der Einfluss von Tumornekrosefaktor Alpha (TNFα) auf die Regulation der Leberregeneration wurde ebenfalls untersucht. Durch dynamische Pfadmodellierung konnten wir zeigen, dass das nichtsteroidale entzündungshemmende Medikament Diclofenac mehrere Parameter im TNFα-Netzwerk beeinflusst und zu einer verstärkten Toxizität führt (Oppelt et al., NPJ Syst Biol Appl 2018).

Neben Medikamenten können auch hepatotrope Viren wie das Hepatitis-B-Virus (HBV) oder das Hepatitis-C-Virus (HCV) Leberschäden verursachen und antivirale Interferon-alpha (IFNα)-Reaktionen auslösen. Durch die dynamische Modellierung der Signalwege konnten wir die molekularen Mechanismen aufklären, die eine Hypersensibilisierung oder Desensibilisierung der Signalwege vermitteln. Die Anpassung des mathematischen Modells für einzelne Patienten in einer virtuellen Patientenkohorte ergab patientenspezifische Prädiktoren für die Desensibilisierung des Signalwegs (Kok et al, Mol Syst Biol 2020). Aufgrund der Schlüsselrolle der Leber im Stoffwechsel ist es von großem Interesse, die Schnittstellen zwischen der Signaltransduktion bei der Leberregeneration und dem Stoffwechsel aufzuklären. In einem ersten Schritt trugen wir zu einem genomweiten Modell bei, das eine hohe Aminosäureverbrauchsrate in Hepatomzellen identifizierte und auf die Bedeutung der Glutamatausscheidung hinwies, die eine mögliche krebsspezifische Intervention darstellt (Nilsson et al., Proc Natl Acad Sci U S A 2020). Gegenwärtig liegt der Schwerpunkt auf der Bedeutung des Umbaus der ECM und des Stoffwechsels für das Fortschreiten des Krebses, und diese Ereignisse werden im Blutplasma der Patienten widergespiegelt, um die Früherkennung von Leberkrebs zu erleichtern, wenn eine chirurgische Resektion mit Heilungsabsicht noch möglich ist.

Anwendung der dynamischen Modellierung für die personalisierte Medizin

Die Leber spielt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel und bei der Entgiftung. Da das Organ ständig schädigenden Einflüssen ausgesetzt ist, verfügt es über eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Regeneration und zur Sicherung des Überlebens. Um die physiologische Funktion aufrechtzuerhalten, erfordern diese Reaktionen strenge Regulierungsmechanismen. Im Gegensatz zu Ansätzen des maschinellen Lernens, die große Datensätze erfordern, können mechanistische Modelle auf der Grundlage kleiner Datensätze kalibriert werden und als prädiktive Werkzeuge eingesetzt werden, um eine kausale Beziehung zwischen Inputs und Outputs herzustellen (D'Alessandro et al, Biochem J 2022). TGFβ ist ein wichtiger Kontrollfaktor, der die Beendigung der Leberregeneration koordiniert. Durch modellbasierte Auswahl haben wir die drei wichtigsten SMAD-Komplexe in Leberzellen identifiziert. Dieses mathematische Modell legt nahe, dass erhöhte Spiegel von SMAD-Proteinen und die SMAD2-Phosphorylierung Kennzeichen von Leberkrebs sind (Lucarelli et al., Cell Syst 2018). Ein weiterer Faktor, der in die Regulierung der Leberregeneration involviert ist, ist der Tumor-Nekrose-Faktor alpha (TNFα). Wir haben durch dynamische Pfadmodellierung gezeigt, dass mehrere Parameter im TNFα-Netzwerk durch den nichtsteroidalen Entzündungshemmer Diclofenac beeinflusst werden, was zu einer verstärkten Toxizität führt und die Toxizitätsschwelle definiert (Oppelt et al. NPJ Syst Biol Appl 2018). Neben Medikamenten können auch hepatotrope Viren wie das Hepatitis-B-Virus (HBV) oder das Hepatitis-C-Virus (HCV) Leberschäden verursachen und antivirale Interferon-alpha (IFNα)-Reaktionen auslösen. Durch die dynamische Modellierung der Signalwege konnten wir die molekularen Mechanismen aufklären, die eine Hypersensibilisierung oder Desensibilisierung der Signalwege vermitteln. Die Anpassung des mathematischen Modells für einzelne Patienten in einer virtuellen Patientenkohorte ergab patientenspezifische Prädiktoren für die Desensibilisierung des Signalwegs (Kok et al, Mol Syst Biol 2020). Aufgrund der Schlüsselrolle der Leber im Stoffwechsel ist es von großem Interesse, die Schnittstellen zwischen der Signaltransduktion bei der Leberregeneration und dem Stoffwechsel aufzuklären. In einem ersten Schritt trugen wir zu einem genomweiten Modell bei, das eine hohe Aminosäureverbrauchsrate in Hepatomzellen identifizierte und auf die Bedeutung der Glutamatausscheidung hinwies, die eine mögliche krebsspezifische Intervention darstellt (Nilsson et al., Proc Natl Acad Sci U S A 2020). Gegenwärtig liegt der Schwerpunkt auf der Bedeutung des Umbaus der ECM und des Stoffwechsels für das Fortschreiten des Krebses, und diese Ereignisse werden im Blutplasma der Patienten widergespiegelt, um die Früherkennung von Leberkrebs zu erleichtern, wenn eine chirurgische Resektion mit Heilungsabsicht noch möglich ist.