Jessica C. Hassel

• Überexpression der konstitutiv aktiven Rezeptortyrosinkinase Xmrk im Zahnkarpfen Xiphophorus führt zur Ausbildung maligner Melanome. Expressionsstudien in transgenen Medaka-Fischen haben gezeigt, daß Xmrk allerdings nur in bestimmten Geweben wie Hirn, Epithelien, Auge und Pigmentzellen zur Tumorbildung führt. Zellen, die durch Xmrk transformiert werden können, scheinen somit über entsprechende Komponenten der durch Xmrk induzierten intrazellulären Signaltransduktion verfügen zu müssen. Bisher wurde eine Reihe von Signalproteinen identifiziert,Überexpression der konstitutiv aktiven Rezeptortyrosinkinase Xmrk im Zahnkarpfen Xiphophorus führt zur Ausbildung maligner Melanome. Expressionsstudien in transgenen Medaka-Fischen haben gezeigt, daß Xmrk allerdings nur in bestimmten Geweben wie Hirn, Epithelien, Auge und Pigmentzellen zur Tumorbildung führt. Zellen, die durch Xmrk transformiert werden können, scheinen somit über entsprechende Komponenten der durch Xmrk induzierten intrazellulären Signaltransduktion verfügen zu müssen. Bisher wurde eine Reihe von Signalproteinen identifiziert, die von Xmrk rekrutiert und aktiviert werden. Dazu gehören die PLC-g, die Adapterproteine Shc und Grb2, die PI3K, die Fyn-Kinase aus der Familie der Src-Kinasen und der Transkriptionsfaktor STAT5. Um die Signaltransduktion von Xmrk in induzierbarer Form untersuchen zu können, wurde eine mit EGF stimulierbare Rezeptorchimäre HER-mrk, deren extrazellulärer Anteil vom humanen EGF-R und deren intrazellulärer Anteil von Xmrk stammt, in der IL-3 abhängigen murinen pro-B-Zellinie Ba/F3 exprimiert. EGF-Stimulation dieser als BaF Hm bezeichneten Zellen führt zu IL-3 unabhängigem Wachstum und zu Langzeitüberleben. Stimulation des aus der gleichen Genfamilie stammenden EGF-Rezeptors hingegen, wird er in Ba/F3 Zellen exprimiert, kann kein Langzeitüberleben vermitteln. Erste Untersuchungen zeigten, daß das durch HER-mrk vermittelte Langzeitüberleben in Ba/F3 Zellen nicht auf einer höheren Rezeptorexpression verglichen mit den EGF-R exprimierenden Zellen beruht. Allerdings korreliert die Rezeptordichte mit der DNA-Syntheseleistung der Ba/F3 Zellen. Durch verschiedene carboxyterminal verkürzte HER-mrk Rezeptormutanten wurde eine unterschiedliche Anzahl von Substratbindungsstellen von Xmrk deletiert. Expression dieser HER-mrk Rezeptormutanten in Ba/F3 Zellen zeigte, daß für die Auslösung der Replikation der DNA keine C-terminale Substratbindungsstelle notwendig ist, während für eine Vollendung der Zellteilung mit Zellvermehrung und für Langzeitüberleben zwei membrannahe Substratbindungsstellen ausreichend sind. Der Vergleich der durch die verschiedenen Rezeptoren induzierten Signalwege bzw. der Substratinteraktionen von HER-mrk, seinen Mutanten und dem EGF-R gab Hinweise auf für die Antiapoptose entscheidende Signalwege. Untersuchungen zur Aktivierung von STAT1, 3 und 5 zeigten, daß HER-mrk zu einer Aktivierung aller drei STAT-Proteine führt, während der EGF-R in Ba/F3 Zellen nur STAT1 und 3, nicht aber STAT5 aktivieren kann. Die HER-mrk Rezeptormutanten zeigten, daß für die Aktivierung von STAT5 durch HER-mrk keine carboxyterminale Substratbindungsstelle notwendig ist, diese aber möglicherweise durch Stabilisierung der Rezeptorbindung seine Aktivierung verstärken. Für die Aktivierung von STAT1 und 3 hingegen sind carboxyterminale Substratbindungsstellen entscheidend. Das für ein antiapoptotisches Protein kodierende STAT5-Zielgen bcl-X wurde als HER-mrk Zielgen identifiziert. Auch die schwächere STAT5 Aktivierung durch die trunkierte HER-mrk Rezeptormutante Hm delta1006 hatte eine bcl-X Transkription zur Folge, während der EGF-R bcl-X nicht induzierte. Untersuchungen weiterer antiapoptotischer Signalwege zeigten, daß die mrk-Kinase sowie ihre Rezeptormutante Hm delta1006 im Gegensatz zum EGF-R auch zu einer Induktion von bcl-2 führen. Da diese Mutante kein Langzeitüberleben vermittelt, ist somit die Induktion der Genexpression antiapoptotischer Proteine wie Bcl-XL und Bcl-2 nicht ausreichend für Antiapoptose. Es bedarf somit der Kombination mehrerer antiapoptotischer Signalwege, um Langzeitüberleben zu sichern. Expression der Rezeptorchimäre HER-mrk in murinen Melanozyten führt bei Stimulation der mrk-Kinase zur Transformation der Zellen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine starke Induktion von bcl-X nach HER-mrk Stimulation in den Melanozyten nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung humaner Melanomzellinien, die in der Expression verschiedener Rezeptortyrosinkinasen oft ein sehr unterschiedliches Muster zeigen, konnte eine konstitutive Aktivität von STAT5 in allen untersuchten Zellinien nachgewiesen werden, während STAT1 und 3 nur eine schwache und inhomogene Basalaktivität aufwiesen. Es zeigt sich folglich ein ähnliches Bild wie im Xiphophorus-Melanom, in dem ausschließlich STAT5 konstitutiv aktiv ist. Die untersuchten humanen Melanomzellinien zeigten durchweg eine Expression von Bcl-XL. Andere Signalwege wie z.B. die Aktivierung der MAPK hingegen zeigten ein heterogenes Muster bei den verschiedenen Zellinien. Erste Experimente in A375 Zellen deuten darauf hin, daß die Expression von dominant negativem STAT5 zur Reduktion der bcl-X Transkription und zur Apoptose der Zellen führt (Wellbrock, unveröffentlicht). Der STAT5/Bcl-XL Signalweg scheint folglich ganz entscheidend für die Antiapoptose von Melanomen zu sein.…
• Overexpression of the constitutively active receptor tyrosine kinase Xmrk, a member of the EGF-R family, in the fish Xiphophorus leads to the formation of malignant melanoma. Studies in transgenic Medaka fish showed that Xmrk only induced tumour formation in distinct tissues like brain, epithelia, eye and pigment cells. This showed that cells, which can be transformed by Xmrk need to have the appropriate components of the Xmrk signal transduction pathways. Until now PLC-g, the adaptor proteins Shc and Grb2, PI3K, the Src kinase Fyn and theOverexpression of the constitutively active receptor tyrosine kinase Xmrk, a member of the EGF-R family, in the fish Xiphophorus leads to the formation of malignant melanoma. Studies in transgenic Medaka fish showed that Xmrk only induced tumour formation in distinct tissues like brain, epithelia, eye and pigment cells. This showed that cells, which can be transformed by Xmrk need to have the appropriate components of the Xmrk signal transduction pathways. Until now PLC-g, the adaptor proteins Shc and Grb2, PI3K, the Src kinase Fyn and the transcription factor STAT5 have been identified as signalling proteins recruited and activated by Xmrk. To further investigate the mrk kinase induced signal transduction the receptor chimera HER-mrk was expressed in the IL-3 dependent pro-B cell line Ba/F3. This receptor chimera consists of the extracellular part of the human EGF receptor and the intracellular part of Xmrk. EGF stimulation, therefore, leads to mrk specific signalling in Ba/F3 cells. In HER-mrk expressing Ba/F3 cells EGF can replace the physiological growth factor IL-3 for proliferation and long term survival. In contrast stimulation of the EGF receptor if expressed in Ba/F3 cells does not have this effect. The long term survival triggered by HER-mrk was not based on higher receptor densities of HER-mrk expressing Ba/F3 cells compared to EGF-R expressing ones. Even a strong EGF-R expression could not mediate long term survival whereas even a low HER-mrk receptor expression was sufficient. Expression of C-terminal truncated HER-mrk receptor mutants in Ba/F3 cells showed that for induction of DNA synthesis no C-terminal substrate binding site is needed and that to complete cell division and for long term survival the two membrane proximal binding sites are important. This made it possible to define the crucial pathways for antiapoptotic signalling. Further analysis revealed that Her-mrk activates STAT1, 3 and 5 proteins, whereas the EGF-R could only activate STAT1 and 3, but not STAT5 in Ba/F3 cells. Strikingly, the HER-mrk receptor mutants showed that STAT5 activation by HER-mrk is not dependent on one of the known substrate binding sites but that C-terminal phosphotyrosines enhance the activation of STAT5, possibly by stabilizing the binding to the receptor. For the activation of STAT1 and 3, however, C-terminal substrate binding sites are needed. With regard to antiapoptotic signalling pathways a possible induction of the STAT5 target gene bcl-X has been investigated. Indeed, HER-mrk leads in contrast to the EGF-R to an induction of bcl-X transcription. Even the weaker STAT5 activation by the HER-mrk receptor mutant Hm delta1006 is followed by bcl-XL expression. Investigation of other antiapoptotic singalling pathways showed that the mrk kinse also leads to an induction of bcl-2 expression in contrast to the EGF-R. Strinkingly this was also seen for the receptor mutant Hm delta1006, which is not able to mediate long term growth in Ba/F3 cells. Therefore induction of the expression of the antiapoptotic proteins bcl-XL and bcl-2 seems not to be sufficient for long term survival. This suggests that a combination of different pathways is needed. Expression of the receptor chimera HER-mrk in murine melanocytes induces transformation of the cells under treatment with EGF. With this study it could be shown that mrk stimulation in these melanocytes leads to a strong induction of bcl-X which seems to be based on the activation of STAT5. Investigation of different human melanoma cell lines which often show varying expression of different receptor tyrosine kinases revealed constitutive activation of STAT5 in all of the tested cell lines. STAT1 and 3 however were only weakly activated and showed different activation patterns in the melanoma cell lines. Therefore in human melanoma cell lines a similar picture as for the Xiphophorus melanoma was found. While bcl-XL could not be investigated in the fish melanoma due to lacking cross reactivity of the antibody, northern probes and RT-PCR primers, the human melanoma cell lines showed expression of bcl-XL. Other pathways like the activation of MAPK, however, displayed a heterogenous activation pattern in the different cell lines. First experiments in A375 cells gave evidence that expression of dominant negative STAT5 is followed by reduction of bcl-X transcription and apoptosis of the cells (Wellbrock, unpublished). The STAT5/bcl-XL pathway therefore seems to be crucial for antiapoptosis in melanomas.…