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Auf frischer Tat ertappt: Forschungsteam beschreibt, wie Bakterien gesunde Zellen in Krebszellen umwandeln

Die Immunfluoreszenzfärbung (rechtes Bild) zeigt, dass genotoxische Colibactin-produzierende E. coli (grün) DNA-Schäden (weiß) und eine abnorme Vergrößerung der Zellen verursachen. Phalloidin (rot) färbt die Aktinfilamente der Zellen (Teile des Zellskeletts), die DNA ist blau dargestellt. Bei Zellen, die mit E. coli infiziert sind, die Colibactin nicht herstellen (linkes Bild), wird dieser Effekt nicht beobachtet (Abb.: MPIIB / A. Iftekhar)

Münster (pmi/mfm) - Darmkrebs ist die zweittödlichste Krebsart. Neuere Forschungserkenntnisse deuten darauf hin, dass das Darmmikrobiom, also die Gesamtheit der im Darm lebenden Mikroorganismen, eine wichtige Rolle bei der Entstehung und beim Fortschreiten des Krebses spielt. So führen Störungen des Mikrobioms im Darm zu Entzündungen, die zur Krebsentstehung beitragen. Zusätzlich können offenbar bestimmte Darmbakterien das Erbgut der Darmzellen direkt schädigen. Das erfolgt durch Genotoxine - Gifte, die die DNA so verändern können, dass Mutationen entstehen, die schließlich zu Krebs führen. Einem Forschungsteam unter Beteiligung des Instituts für Hygiene der Universität Münster (WWU) ist es nun gelungen, ein bestimmtes Bakterium und sein Genotoxin quasi „auf frischer Tat“ zu ertappen. Die Studie der Arbeitsgruppe ist in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

Das Bakterium Escherichia coli (kurz: E. coli) gehört zum menschlichen Darmmikrobioms. Einige Stämme dieser Bakterienart produzieren das Genotoxin Colibactin. Mehr als zwei Drittel der Darmkrebspatienten tragen Colibactin-produzierende E.-coli-Stämme in ihrem Darm. Besonders häufig sind sie bei Darmkrebsarten verbreitet, die mit chronischen Darmentzündungen wie Morbus Crohn und Colitis Ulcerosa im Zusammenhang stehen. Neuere Forschungen haben zudem gezeigt, dass Colibactin spezifische Veränderungen an der DNA der Darmzellen hervorruft.

Den ersten eindeutigen Beweis für einen Zusammenhang zwischen diesen Bakterienstämmen und Darmkrebs konnte Prof. Thomas F. Meyer von der Universität Kiel mit seinem früheren Team vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin (MPIIB) vor kurzem liefern: Die Wissenschaftler identifizierten eine genetische Signatur, also eine spezifische genetische Veränderung, die Colibactin in den Wirtszellen hinterlässt. Und sie konnten zeigen, dass sich diese spezifische Veränderung in den Krebszellen einer bestimmten Untergruppe von Darmkrebs wiederfindet. Aber da der Krebs viele Jahre braucht, um sich zu entwickeln, blieb der eigentliche Prozess, wie aus einer gesunden Zelle eine Krebszelle wird, unklar.

Im Zellmodell führt Colibactin zur unkontrollierten Vermehrung

Genau diese Transformation konnte nun am MPIIB erstmals im Labor nachvollzogen werden. Dazu wurde mit sogenannten Organoiden gearbeitet: Bei dieser neuen Technologie werden Dickdarm-Schleimhautzellen in der Petrischale in Form von dreidimensionalen Kugeln gezüchtet. Mit ihrer Hilfe können Forscher zelluläre Prozesse im Darm an lebenden Zellen in der Petrischale beobachten. Diese hohlen „Mini-Organe“ werden aus adulten Stammzellen aus dem Darm generiert, aus denen dort normalerweise spezialisierte Zellen für die Darmschleimhaut entstehen.

Das Team gab auf ihre Organoide Colibactin-produzierende E. coli und Mutanten, die im münsterschen Institut für Hygiene in Münster charakterisiert wurden, um zu testen, ob diese einen dauerhaften Effekt auf die Darmzellen haben. „Zunächst begannen die Zellen, sich schneller als normal zu vermehren – das bekannteste Merkmal von Krebszellen. Besonders bemerkenswert war allerdings, dass einige Zellen nach der Infektion mit Colibactin-produzierenden E. coli, anders als normale Stammzellen, ohne den Wachstumsfaktor ‚Wnt‘ im Nährmedium überleben konnten“, erklärt Prof. Meyer.

Der Wachstumsfaktor Wnt führt im gesunden Gewebe dazu, dass immer genug Darmstammzellen für die Erneuerung der Darmzellen vorhanden sind. Sobald die Stammzellen aus dieser Wnt-haltigen Umgebung heraustreten, entwickeln sie sich zu spezialisierten Darmzellen, die sich nicht weiter vermehren. Durch diesen Mechanismus wird auch eine unkontrollierte Vermehrung der Zellen außerhalb der Wnt-haltigen Umgebung verhindert. Wenn es Zellen jedoch gelingt, sich unabhängig von dem Wnt-Signal zu vermehren, entsteht unkontrolliertes Wachstum, eine Vorstufe von Krebs.

Das gleiche Phänomen kann auch im Organoid beobachtet werden: Die Organoid-Zellen benötigen kontinuierlich Wnt, um sich zu vermehren; ohne diesen Wachstumsfaktor differenzieren sie genau wie im gesunden Darm aus, verwandeln sich in spezialisierte Zellen und sterben eine Zeit danach ab. Als die Forscher die mit E. coli infizierten Kulturen in ein Wnt-freies Medium überführten, überlebten jedoch einige wenige Zellen und bildeten weiterhin schnell wachsende Organoide. Eine solche Unabhängigkeit vom Wachstumsfaktor ist ein typisches Merkmal von frühen Darmkrebszellen.

Chromosomale Veränderungen führen möglicherweise zur Krebsentstehung

Im nächsten Schritt analysierten die Forscher die DNA der Organoidzellen nach der Behandlung mit Colibactin-produzierenden E. coli. Die Sequenzierung ergab, dass das Erbgut zahlreiche Mutationen enthielt, darunter auch große strukturelle Veränderungen in der DNA, die sich auch in den meisten Darmkrebszellen finden lassen.

Diese Beobachtung könnte eine wichtige Erklärung für eine bisher offene Frage liefern: Die spezifische genetische Signatur, die Colibactin in den Darmzellen hinterlässt, findet sich nur in etwa einem Zehntel der Darmkrebspatienten – und das, obwohl die meisten der Betroffenen Colibactin-produzierende E. coli in sich tragen. „Demnach würden wir eigentlich erwarten, dass durch Colibactin hervorgerufene genetische Veränderungen bei deutlich mehr Darmkrebs-Fällen vorhanden sind. Und darauf deuten unsere neuen Ergebnisse nun auch hin“, erklärt Prof. Meyer.

Colibactin vernetzt die DNA-Stränge an bestimmten Stellen miteinander. Das versucht die Zelle mit ihren Reparaturmechanismen wieder möglichst genau zu reparieren und dabei hinterlässt Colibactin in manchen Fällen seinen spezifischen Fingerabdruck in der DNA. „Die präzise Reparatur funktioniert jedoch häufig nicht; dann kommt es zu verpfuschten Reparaturen, die sich in den bei Darmkrebs häufig beobachteten groben chromosomalen Veränderungen niederschlagen. Wir vermuten, dass diese Veränderungen durch falsche Reparaturen die eigentliche Basis für die Krebsentstehung bilden“, so Meyer.

Darüber, welche Faktoren beeinflussen, wie die Zelle die Verknüpfung zu beseitigen versucht, rätselt die Forschungsgruppe noch und will diese Frage in Zukunft näher untersuchen. Am Institut für Hygiene der WWU Münster werden sich Prof. Ulrich Dobrindt und seine Kollegen weiterhin damit beschäftigen, inwieweit sich verschiedene E.-coli-Varianten in ihrer Fähigkeit unterscheiden, Colibactin herzustellen und somit einen Risikofaktor für die Entstehung von Darmkrebs darstellen.

Link zu PubMed

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