Sie befinden sich hier

Inhalt

Tumor-assoziierte Proteolyse und der Urokinase-Rezeptor (u-PAR)

 Intravasation oder die Etablierung der Metastase am Zielorgan werden biochemisch u.a. durch die Zerstörung extrazellulärer Matrixstrukturen und Komponenten von Basalmembranen bewerkstelligt (z. B. Laminin, Kollagen IV). Dies geschieht durch Expression, Sekretion oder parakrine Rekrutierung und Aktivierung verschiedener “tumorassoziierte Proteasensysteme”, unter ihnen Serin-, Aspartat-, Cystein-, Threonin- und Metalloproteinasen durch und um Tumorzellen.

Durch Initiierung und Promotion einer proteolytischen Kaskade sowie im Zusammenspiel mit verschiedenen Inhibitoren bewirken diese Proteasen eine Degradation von Matrixbestandteilen und erleichtern damit der Tumorzelle den Einbruch in umliegende Strukturen. Die Identität dieser Enzyme unterscheidet sich hierbei nicht signifikant von derjenigen solcher Enzyme, die physiologische Vorgänge wie Wundheilung, Entzündung, Embryogenese oder Angiogenese steuern. Es ist vielmehr eine Überexpression dieser Enzymsysteme, die den invasiven Phänotyp von malignen Zellen charakterisiert.

Eines der bestcharakterisierten tumorassoziierten Proteasen-Systeme ist das Urokinase (u- PA)-System. Die 55kDa-Serinprotease u-PA aktiviert inaktives Plasminogen zu Plasmin und degradiert damit indirekt oder direkt Fibrin, Fibronektin, Proteoglycane, Laminin und Kollagen Typ IV. In seiner Aktivität wird u-PA durch vielfältige Interaktionen mit anderen Proteasen- und Inhibitorsystemen modifiziert und insbesondere durch die Bindung an seinen spezifischen u-PA-Rezeptor (u-PAR) um ein Vielfaches potenziert. U-PAR, ein 45-60kDa, stark glykosylierter Zelloberflächenrezeptor, besteht aus drei einander ähnlichen Proteindomänen (jede ca. 90 Aminosäuren) und konzentriert den proteolytischen Effekt von u-PA durch seine hohe Flexibilität innerhalb der Zellmembran, welche durch einen Glycolipid-Anker bedingt ist. Entsprechend besitzt rezeptor-gebundene u-PA eine 40fach niedrigere Km für Plasminogen als nichtgebundenes Enzym.

Effizientes proteolytisches System

Durch Bindung eines spezifischen Inhibitors, PAI-1, und durch Interaktion mit dem α-2-Makroglobulin-Rezeptor wird der u-PA/u-PAR Komplex in die Zelle internalisiert, die Liganden lysosomal degradiert und der freie u-PAR an die Zelloberfläche rezirkuliert, so dass er für die Bindung eines weiteren u-PA Moleküls zur Verfügung steht. Dies resultiert in einem flexiblen, dynamischen und sehr effizienten proteolytischen System. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass u-PAR darüberhinaus in diversen Karzinomen im Gegensatz zu entsprechenden normalen Zellen überexprimiert wird. Dazu zählen neben Tumoren des Gastrointestinaltraks (Magen- und Colonkarzinom) unter anderen Mammakarzinome, Prostata-, Bronchial- und Ovarialkarzinome. Prospektive Studien etablierten u-PAR und/oder u-PA/PAI-1 entsprechend bei dieen und anderen Tumorerkrankungen als neue, biologische Risikofaktoren, die signifikant mit einem ungünstigen klinsichen Verlauf korrelierten (mehr Detailinformationen bitten wir u.a. aus den zitierten Referenzen und aus Übersichtsarbeiten unserer und anderer Arbeitsgruppen zu entnehmen).

u-PAR-System als neuer prognostischen Risikofaktor

Unsere Arbeitsgruppe hat seit ca. 1993 kontinuierlich zur Hypothesengenerierung dazu beigetragen herauszufinden, wie der u-PAR molekular agiert und in der Krebszelle reguliert wird, und wie dies zu einer detaillierteren Risikoklassifizierung, Diagnostik und Therapie maligner Tumoren beitragen könnte. Entsprechend etablierten wir das u-PAR-System als neuen prognostischen Risikofaktor beim Magenkarzinom und identifizierten u-PAR als ein Charakteristikum des metastatisch relevanten Phänotyps in der minimal residualen Tumorerkrankung des Magen- und auch Colonkarzinoms.

Darüberhinaus identifizierten wir die wesentlichen Regulatoren des u-PAR auf transkriptionaler Ebene und zeigten in translationalen Arbeiten, dass die Transaktivierung des u-PAR-Gens durch verschiedene Promoterelemente bei verschieden hoher Tumorzellspezifität erfolgt, eine Tatsache, die zu einer Patentierung führte (Patent-No eu PCT/EPO3/01671. Tissue Specific Expression). Entsprechend fanden wir, dass wir unter Einbeziehung spezifischer transkriptionaler Regulatoren des u-PAR und weiterer Parameter in der Lage waren, komplett neue Hochrisikogruppen von Patienten innerhalb einer von uns molekular erweiterten Tumorklassifikation zu definieren.

In jüngster Zeit wiesen wir schliesslich eine anti- metastatische Wirkung u.a. des EGFR-Inhibitors Cetuximab über eine Inhibition des u-PAR nach und schlugen u-PAR als neuen Biomarker der Therapieantwort auf Cetuximab vor. Erstmals gelang uns auch der Nachweis einer Metastasierungsinhibition durch das Anti- Malaria-Medikament Artesunat über die Hemmung des u-PAR-Liganden u-PA und verschiedener Matrix-Metalloproteinasen (MMPs). Ferner zeigten wir, dass der neue Tumorsuppressor Pdcd4 insbesondere über die Herunterregulation von u-PAR auch ein neuer Suppressor der Metastasierung ist, und dass microRNA-21 über die Hemmung der Translation von Pdcd4 drei essenzielle Schritte der Metastasierungskaskade (Invasion, Intravasation, Metastasierung) anregt. Dies führte konsequent zu unserem aktuellen Interesse an microRNAs als wichtige Akteure in der Metastasierung.

Ausgewählte Publikationen

  • Heiss MM, Babic R, Allgayer H, Gruetzner U, Jauch KW, Loehrs U, Schildberg FW (1993): Tumor-associated proteolysis and prognosis: New functional risk factors in gastric cancer defined by the urokinase-type plasminogen activator system. Journal of Clinical Oncology, Vol. 13, No. 8, pp. 2084-2093, 1995.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7636552
  • Allgayer H, Heiss MM, Riesenberg R, Gruetzner KU, Tarabichi A, Babic R, Schildberg FW: Urokinase plasminogen activator receptor (uPA-R) -- a potential characteristic of metastatic phenotypes in minimal residual tumor disease. Cancer Research 57: 1394 - 1399, 1997.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9102229
  • Allgayer H, Wang H, Wang Y, Heiss MM, Bauer R, Nyormoi O, Boyd D: Transactivation of the urokinase-type plasminogen activator receptor gene through a novel promoter motif bound with an activator-protein-2a-related factor. Journal of Biological Chemistry 274 (8): 4702 - 4714, 1999.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9988707
  • Allgayer H, Wang H, Gallick GE, Crabtree A, Mazar A, Jones T, Kraker AJ, Boyd DD: Transcriptional induction of the urokinase-receptor (u-PAR) gene by a constitutively active Src: Requirement of an upstream motif (-152/-135) bound with Sp1. Journal of Biological Chemistry 274 (26), 18428 – 18437, 1999.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10373450
  • Allgayer H, Wang H, Shirasawa S, Sasazuki T, Boyd D: Targeted disruption of the K-Ras oncogene in an invasive colon cancer cell line downregulates urokinase receptor expression and plasminogen-dependent proteolysis. British Journal of Cancer 80, 1884, 1999.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10471035
  • Dang J, Boyd D, Wang H, Allgayer H, Doe W, Wang Y: A region between -141 and -61 bp containing a proximal AP-1 is essential for constitutive expression of urokinase-type plasminogen activator receptor. European Journal of Biochemistry 264(1):92-9, 1999.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10447677
  • Wang Y, Dang J, Wang H, Allgayer H, Murrell GA, Boyd D: Identification of a novel nuclear factor-kappaB sequence involved in expression of urokinase-type plasminogen activator receptor. European Journal of Biochemistry 67(11): 3248-3254, 2000.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10824110
  • Schewe DM, Leupold JH, Boyd DD, Lengyel ER, Wang H, Gruetzner KU, Schildberg FW, Jauch KW, and Allgayer H: Tumor-specific transcription factor binding to an AP-2/Sp1 promoter element of the urokinase-receptor (u-PAR) promoter in a first large series of resected gastrointestinal cancers. Clinical Cancer Research 9(6): 2267-76, 2003.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12796395
  • Schewe DM, Biller T, Maurer G, Leupold JH, Lengyel ER, Post S, and Allgayer H: Combination analysis of AP-1 family members, Sp1 and an AP-2a-related factor binding to different regions of the urokinase receptor (u-PAR) gene in a large series of resected gastrointestinal cancers. Clin Cancer Res 11(24): 8538-8548, 2005.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16361535
  • Leupold JH, Yang H-S, Colburn NH, Boyd, DD, Lengyel ER, Post S, Allgayer H: Tumor suppressor Pdcd4 inhibits invasion and regulates urokinase-receptor (uPAR) gene expression via Sp-transcription factors. Oncogene 26(319): 4550-4562, 2007.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17297470
  • Leupold JH, Asangani I, Lengyel ER, Post S, Allgayer H: Src-induced uPAR gene expression is also mediated via an AP-1 motif and is associated with increased invasive capacity in vivo. Molecular Cancer Research 5(5):485-496, 2007.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17510314
  • Mudduluru G, Medved F, Grobholz R, Joste C, Gruber A, Leupold JH, Post S, Jansen A, Colburn NH, Allgayer H: Loss of Pdcd4 expression marks adenoma-carcinoma transition, correlates inversely with pAkt, and is a new and independent prognostic factor in resected colorectal cancer. Cancer 110:8, 1697-1707, 2007.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17849461
  • Nikolova D, Asangani I, Nelson L, Hughes D, Siwak D, Mills G, Harms A, Buchholz E, Pilz L, Manegold C, Allgayer H: Cetuximab attenuates invasion, metastasis, and u-PAR gene expression in non small-cell lung cancer (NSCLC), and u-PAR, besides E-cadherin, is a novel biomarker of Cetuximab sensitivity. Cancer Research 69(6):2461-2670, 2009.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19276367
  • Rasheed SAK, Efferth T, Asangani IA, Allgayer H: Artesunate - first evidence that an anti-malaria drug inhibits invasion and in vivo metastasis in lung cancer by targeting essential extracellular proteases. Int J Cancer 127(6):1475-85, 2010.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20232396

Kontextspalte