Ein ForscherInnenteam am IMBA – dem Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften – zeigt, wie sich Gehirntumor-Zellen „nähren“, um unsterblich zu werden. Dabei verändern sie gezielt ihren Stoffwechsel, um die Sauerstoffzufuhr zu steigern, indem sie ihre „Zell-Kraftwerke“ verschmelzen lassen. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Cell veröffentlicht und bringen grundlegend neue Einblicke in die Krebsentstehung.
Dabei ist die Entstehung von Krebs unglaublich komplex und wird durch ein Zwischenspiel von verschiedensten Faktoren gesteuert. Erst kürzlich wurde auch die Rolle von Stammzellen für die Krebsentstehung deutlich. Sogenannte adulte Stammzellen sind in vielen unserer Organe vorhanden, wo sie unentwegt für Zellnachschub sorgen, um alte und abgestorbene Zellen zu ersetzen. Viele Krebsarten beim Menschen entstehen aus adulten Stammzellen, wenn deren Zellteilung aus dem Gleichgewicht gerät. Das Labor von Jürgen Knoblich – weltbekannt für die Forschung an Stammzellen und Organoiden – brachte unlängst neue Erkenntnisse darüber, wie diese Stammzellen zu „unsterblichen“ Tumorzellen werden. Dabei scheint der Energiestoffwechsel der Zelle eine besondere Rolle zu spielen. Diese Energie wird entweder aus Nährstoffen wie Zucker und Fett oder aus Sauerstoff in den Zell-Kraftwerken, den Mitochondrien, gewonnen.
Verschmolzene Zell-Kraftwerke liefern Treibstoff für die Krebsentstehung
Das Team um Jürgen Knoblich untersuchte in ihrer aktuellen Publikation, welche Rolle der Energie-Zellstoffwechsel bei bestimmten Gehirn-Tumorzellen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster – einem der altbewährtesten und meisterforschten Modellorganismen in der Biologie – spielt. Bereits seit den 1970er Jahren konnte die Funktion bestimmter Gene für die Krebsentstehung bei Drososphila erstmals untersucht werden. Fliegen, die eine Mutation in dem Gen Brat tragen, sterben zum Beispiel, weil Nerven-Stammzellen im Gehirn sich unkontrolliert vermehren und dadurch gigantische Gehirntumore entstehen.
In der aktuellen Publikation in Cell zeigen die ForscherInnen, welche Veränderungen in den Fliegen mit Brat-Mutationen dazu führen, dass die Gehirnzellen sich unkontrolliert vermehren. Überraschenderweise fand die Gruppe, dass diese Zellen im Vergleich zu normalen Nervenzellen einen wesentlich höheren Sauerstoffverbrauch aufweisen. Dies war für die WissenschaftlerInnen überraschend, da bisher angenommen wurde, dass Tumoren ihre Energie vorrangig aus Zucker durch Glykolyse beziehen. Dieser Effekt, auch Warburg Effekt genannt, ist seit langem ein unumstößliches Dogma in der Krebsforschung.
„Wir konnten aber nachweisen, dass die Gehirntumore ihre Energie aus Sauerstoff beziehen müssen, damit sie „unsterblich“ werden und sich unentwegt weiterteilen können. Besonders interessant daran ist, dass in der Phase der Krebsentstehung die Mitochondrien miteinander fusionieren, um der Zelle noch mehr Treibstoff zu liefern,“ erklärt Francois Bonnay, Postdoktorand am IMBA und Erstautor der Studie. „Durch das Verschmelzen der Zellkraftwerke ergibt sich eine Steigerung der Energiezufuhr durch Sauerstoff, wie wir durch erhöhte Werte von NAD+ und NADH messen konnten – zwei Schlüsselmoleküle, die an der Bioenergetik beteiligt sind.“
Indem die WissenschaftlerInnen die Sauerstoffzufuhr drosselten, konnte das Tumorwachstum gebremst werden. „Diese Ergebnisse sind unerwartet und stellen bisherige Überlegungen über die Biologie dieser Tumore auf den Kopf“, sagt Knoblich, wissenschaftlicher Direktor am IMBA. „Wir haben gute Hinweise darauf, dass sich Hirntumoren und einige andere Krebsformen beim Menschen genauso verhalten. Dies legt also einen völlig neuen Weg nahe, die gefährlichsten Zellen in solchen Tumoren ins Visier zu nehmen und die Achillesferse dieser Tumoren – ihren hohen Energiebedarf – für die Entwicklung neuer Krebstherapien zu nutzen.“
Über das IMBA
Das IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie ist das größte Institut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) mit dem Fokus auf zukunftsweisende Grundlagenforschung. 16 Forschungsgruppen stellen sich den molekularen Rätseln und unerforschten Gebieten der Molekularbiologie und Medizin. Erkenntnisse aus den Bereichen Zell- und RNA- Biologie, molekularer Medizin und Stammzellbiologie bilden den Nährboden für eine Medizin der Zukunft. Die Stammzellinitiative am IMBA wird durch eine Förderung des Bundesministeriums für Wissenschaft sowie durch die Stadt Wien finanziert.
Originalpublikation:
François Bonnay, Ana Veloso et al.: „Oxidative metabolism drives immortalization of neural stem cells during tumorigenesis“, Cell 2020.
DOI: doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.039