Die Grundlage für das Verständnis der klinischen Heterogenität des Prostatakarzinoms ist die Entschlüsselung seiner molekularen Veränderungen. Die Einteilung des Prostatakarzinoms in genetische Subtypen – vergleichbar mit der gängigen Subklassifikation der Leukämien und Lymphome – könnte helfen, Patienten frühzeitig nach ihrem klinischen Verlauf und Therapieansprechen zu stratifizieren. Im Folgenden wird darüber hinaus dargestellt, wie die Entdeckung häufiger Genfusionen im Prostatakarzinom sowie deren konsequente klinische und biologische Charakterisierung hilft, die Heterogenität dieses Leidens besser zu verstehen.

Genfusion beim Prostatakarzinom – ein Paradigmenwechsel

Bisher ging man davon aus, dass rekurrente Genfusionen in erster Linie Charakteristika von Leukämien, Lymphomen und Sarkomen seien. Epitheliale Tumoren (Karzinome), die die häufigsten Tumoren beim Menschen darstellen und bei Morbidität und Mortalität von Krebserkrankungen führend sind, waren bisher in weniger als 1% der Fälle durch krankheitsspezifische rekurrente Genfusionen charakterisiert [1, 2, 3]. Unsere Entdeckung der TMPRSS2-ETS-Genfusionen im Jahr 2005 veränderte das Verständnis über Genrearrangements in soliden Tumoren daher dramatisch [4].

Der Schlüssel zur Entdeckung der TMPRSS2-ETS-Genfusion im Prostatakarzinom war ein einfacher bioinformatischer Ansatz zur Entschlüsselung onkogener Profile aus Expressionsdatensätzen und die daraus resultierende Identifikation überexprimierter Gene, die häufig mit Genrearrangements in anderen Tumoren einhergehen. Bei diesen Untersuchungen zeigten zwei Gene, nämlich ERG und ETV1, konstant hohe Expressionswerte bei Prostatakarzinom-Microarrays. Diese beiden Gene sind Teil der Familie der ETS-Transkriptionsfaktoren, in der Mehrheit der Prostatakarzinomfälle überexprimiert und in einem jeweiligen Tumor gegenläufig in ihrem Expressionsprofil. Dies legte den Schluss nahe, dass diese beiden Gene bei der Entstehung des Prostatakarzinoms funktionell redundant sind.

Da die Transkriptionsfaktoren der ETS-Familie bis dato nur in der Translokation von Ewing-Sarkomen, der akuten myeloischen Leukämie (AML) und anderen seltenen Tumoren beobachtet werden konnten, wurde exploriert, ob diese Gene Teil einer Translokation beim Prostatakarzinom sein könnten. Bei der Evaluation des ERG-cDNA-Transkriptes mittels „Exon-Walking“ wurde eine Überexpression der Exone am distalen (3’-) Ende, nicht aber am proximalen (5’-) Ende festgestellt. Durch Sequenzierung der cDNA-Transkripte wurden Fusionen der nichttranslatierten 5’-Region des TMPRSS2-Gens (21q22.3) mit einem der beiden Transkriptionsfaktoren der ETS-Familie, ERG (21q22.2) oder ETV1 (7p21.2), identifiziert, was die Überexpression der ETS-Gene beim Prostatakarzinom erklärt.

Neben der TMPRSS2-ERG-Fusion, die die häufigste Fusion darstellt, wurden weitere, jedoch wesentlich seltenere und bisher wenig charakterisierte Fusionsereignisse beschrieben [5]. Diese weniger häufigen Fusionen demonstrieren die Neigung der ETS-Gene, sich an Rearrangements zu beteiligen.

Genomische Subtypen der TMPRSS2-ERG-Genfusion

Als Goldstandard für den Fusionsnachweis im Gewebe dient die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) als kombinierter zytogenetisch-histomorphologischer Test. Zum Nachweis einer Fusion von TMPRSS2 mit ERG konnten wir keinen direkten Fusions-Assay anwenden, da beide Gene auf dem gleichen Chromosom (21q) nicht ausreichend weit voneinander entfernt liegen (Distanz lediglich etwa 3 Megabasenpaare). Daher mussten wir einen Translokations-Assay etablieren, der das Rearrangement eines der beiden Fusionspartner, z. B. des ERG-Gens, detektiert. Ein positives Translokationssignal wurde in diesem Falle als eine Fusion von ERG mit TMPRSS2 interpretiert. Durch Vergleich der Ergebnisse aus Polymerase-Ketten-Reaktions- (PCR-)Analysen (womit auf Transkriptionsebene die Fusion nachgewiesen werden konnte) und FISH-Analysen (womit die Translokation des ERG-Gens nachgewiesen werden konnte) war dieser Rückschluss zulässig [4].

Allerdings haben sich bei Anwendung des ERG-Translokations-Assays zwei verschiedene Rearrangement-Muster gezeigt. Zum einen, wie erwartet, ein „Break-apart“ der differenziell Fluorochrom-markierten ERG-flankierenden Sonden in zwei Einzelsignale. Zum anderen beobachteten wir überraschenderweise, dass in der Mehrzahl der Fälle die telomerische 5’-ERG-Sonde verloren ging, was nahe legte, dass genomisches Material zwischen ERG und TMPRSS2 einer Deletion unterlag [6]. Daraufhin analysierten wir 30 Prostatakarzinomproben mittels 100 K-Oligonucleotid-SNP-Arrays und fanden heraus, dass sich zwischen TMPRSS2 und ERG eine homogene Deletion befand.

Durch die Beobachtungen aus der FISH-Analyse und den Ergebnissen aus den SNP-Array-Analysen konnten wir somit zeigen, dass der TMPRSS2-ERG-Genfusion zwei unterschiedliche Mechanismen zugrunde liegen: Der häufigere der beiden Mechanismen war eine Fusion durch Deletion genetischen Materials zwischen den beiden Genen. Für den anderen, etwas selteneren Mechanismus wurde bisher eine Translokation oder Insertion favorisiert. Eine biologische Bedeutung der unterschiedlichen Mechanismen konnte allerdings bisher nicht herausgearbeitet werden.

Häufigkeit der Genfusion beim Prostatakarzinom

Viele unabhängige Studien konnten unsere Beobachtung bestätigten, dass die TMPRSS2-ERG-Fusion ein häufiges Ereignis beim Prostatakarzinom ist [5]. Die meisten Studien beschränkten sich auf das dominante Rearrangement der TMPRSS2-ERG-Fusion. Eine Vielzahl anderer Fusionen, u. a. TMPRSS2 und weitere 5’-Partner, wurden beschrieben, scheinen aber deutlich weniger häufig vorzukommen und betreffen maximal 1–5% aller Prostatakarzinome. Für die Prävalenz der TMPRSS2-ERG-Prostatakarzinome reichen die Werte je nach Kohorte und Untersuchungsmethode von 15–70% [5, 7], wobei Kohorten mit inzidentiell diagnostizierten Prostatakarzinomen signifikant geringere Häufigkeiten aufweisen als PSA-gescreente Kohorten oder Kohorten mit hohem Anteil aggressiv verlaufender Tumoren.

Die TMPRSS2-ERG-Genfusion – ein frühes, klonales und prostatakarzinomspezifisches Ereignis

Eine unserer ersten Erkenntnisse bei der Untersuchung des Prostatakarzinoms auf die TMPRSS2-ERG-Fusion mittels FISH-Assays war, dass diese Alteration ausschließlich in neoplastischen Zellen vorkommt. In einer großen Studie über ein breites Spektrum benigner Prostataläsionen und potenzieller Vorläuferläsionen des Prostatakarzinoms konnten wir zeigen, dass die TMPRSS2-ERG-Fusion nicht in normalen Prostatadrüsen, benigner prostatischer Hyperplasie (BPH) oder entzündlich/atrophischen Veränderungen des Prostataepithels vorkommt [8]. Interessanterweise fanden wir aber die TMPRSS2-ERG-Fusionen in knapp 1/5 der „High-grade-PIN- (prostatischen intraepitheliale Neoplasie-) Läsionen“, die in unmittelbarer Nähe von Karzinomherden mit demselben Fusionsmuster lagen.

Eine von uns groß angelegte Studie und eine unabhängige Studie zur Bedeutung der TMPRSS2-ERG-Genfusion in „High-grade-PIN-Läsionen“ bestätigte unsere initiale Beobachtung [9, 10]. Wir werten dies als ein Indiz, dass diese „High-grade-PINs“ eine Untergruppe von Vorstufen des TMPRSS2-ERG-positiven Prostatakarzinoms sind.

Ein signifikanter klinischer Nutzen dieser Erkenntnis ist die Bestimmung des TMPRSS2-ERG-Fusionsstatus bei Prostatastanzbiopsien mit „High-grade-PIN“ und/oder mit kleinen atypischen azinären Drüsenformationen (ASAP) ohne gleichzeitigen Prostatakarzinomnachweis. Aufgrund der Klonalität der TMPRSS2-ERG-Genfusion innerhalb eines Fokus und der Tatsache, dass diese Genfusion schon in der potenziellen Vorläuferläsion PIN vorkommt, glauben wir, dass die Genfusion ein frühes Ereignis in der Entwicklung und Progression von Prostatakarzinomen darstellt.

Es ist bekannt, dass das Prostatakarzinom in der großen Mehrzahl der Fälle multifokal auftritt. Erst mit der FISH-basierten Identifizierung der rekurrenten TMPRSS2-ERG-Fusion steht uns ein In-situ-Klonalitätsmarker zur Verfügung. Wir konnten zeigen, dass die TMPRSS2-ERG-Fusion in allen Tumorzellkernen innerhalb eines distinkten Tumorfokus nachweisbar ist [8]. Folglich muss die Genfusion innerhalb dieses Fokus sehr früh stattfinden. Andererseits stellten wir beim Vergleich der Genfusion zwischen verschiedenen Tumorherden innerhalb einer Prostata fest, dass jeder Tumorfokus unabhängig vom anderen eine Genfusion aufweisen kann [11]. In darauf aufbauenden Untersuchungen konnten wir auch zeigen, dass bei multifokalen Prostatakarzinomen immer der Fokus, der durch ein ERG-Rearrangement charakterisiert ist, auch für die Metastasierung in regionäre Lympknoten verantwortich ist [12].

Ein weiterer wesentlicher Punkt in der Charakterisierung des ERG-Rearrangements war die Frage, ob diese Alteration ein prostatakarzinomspezifisches Ereignis darstellt oder auch in anderen epithelialen Tumoren vorkommt. Wir konnten in einer erst kürzlich erschienenen Studie an über 2000 Tumorgewebeproben von über 20 Tumorentitäten herausarbeiten, dass das ERG-Rearrangement nur im Prostatakarzinom und sonst in keinen anderen Karzinomen vorkommt [13]. Interessanterweise konnten wir im Rahmen dieser Untersuchungen auch zeigen, dass die seltene, aber aggressive Erscheinungsform der kleinzelligen Prostatakarzinome wahrscheinlich keine eigene Tumorentität ist, sondern die dedifferenzierte Variante der azinären Prostatakarzinome darstellt [14].

Zusammenhang der TMPRSS2-ERG-Genfusion mit einem aggressiveren klinischen Verlauf

Unsere Gruppe beobachtete anfangs vermehrt Fälle von TMPRSS2-ERG-Fusion bei fortgeschrittenen Prostatakarzinomen. Daraufhin untersuchten wir, ob ein Zusammenhang zwischen der TMPRSS2-ERG-Fusion und dem klinischen Outcome in einer populationsbasierten Studie besteht [15]. In der „Watchful-Waiting-Kohorte“ inzidenteller Prostatakarzinompatienten aus Örebro (Schweden) wurde in 15% der Fälle eine TMPRSS2-ERG-Genfusion festgestellt und eine signifikante Assoziation mit prostataspezifischem Tod gezeigt. Damit gewannen wir durch ein einzigartiges Studiendesign Hinweise auf die biologischen Auswirkungen des TMPRSS2-ERG-Prostatakarzinoms unter Ausschluss früher Intervention. Diese Ergebnisse wurden durch eine größer angelegte Studie aus Großbritannien gestützt [16]. Insgesamt zeigten dort Karzinome ohne die TMPRSS2-ERG-Fusion eine 8-Jahres-Überlebensrate von 90%. Diese Studie unterstützt die These, dass TMPRSS2-ERG eine Bedeutung für ein aggressives biologisches Verhalten hat.

In der Zwischenzeit wurden zahlreiche retrospektive Studien über den Zusammenhang zwischen TMPRSS2-ERG und Wiederanstieg des PSA-Wertes nach radikaler Prostatektomie mit unterschiedlichen Ergebnissen durchgeführt [5]. Es ist allerdings sehr schwierig, Studien mit dem PSA-Rezidiv als Endpunkt mit solchen zu vergleichen, die den krebsspezifischen Tod als Endpunkt werten. Auf der Basis der beiden großen publizierten Studien mit langem Follow-up steht immer noch die These, dass das TMPRSS2-ERG-Prostatakarzinom unbehandelt einen aggressiveren Verlauf nimmt als ein Fusions-negativer Tumor. Für die Bewertung chirurgischer oder anderer Interventionen fehlen noch ausreichende Daten. Wir hoffen, diese kontroversen Ergebnisse durch Untersuchung großer prospektiver populationsbasierter Kohorten zu klären.

Weitere kritische Ereignisse im Zusammenhang mit der Genfusion im Prostatakarzinom

Angesichts der phänotypischen Veränderungen beim TMPRSS2-ERG-Fusions-Prostatakarzinom und aggressivem klinischem Verlauf könnte man annehmen, dass Fusions-Prostatakarzinome ein individuelles molekulares Profil zeigen. Wir berichteten vor Kurzem von einer molekularen Signatur für das TMPRSS2-ERG-Prostatakarzinom, basierend auf den Daten von 455 Prostatakarzinompatienten aus der schwedischen „Watchful-Waiting-Kohorte“ und der „Physicians-Health-Study-Kohorte“ aus den USA [17]. Eine Genexpressionssignatur für Prostatakarzinome mit der TMPRSS2-ERG-Fusion wurde bestimmt und ergab eine robuste Expressionssignatur bestehend aus 87 Genen, die den TMPRSS2-ERG-Fusions-Tumor als diskrete molekulare Entität abgrenzte. In-silico-Analysen von Signaltransduktionswegen ergaben, dass die oben genannte Genfusionssignatur mit einer Östrogenrezeptor- (ER-) assoziierten Signalübermittlung einhergeht. Anschließende In-vitro-Tests zeigten, dass eine Stimulation von ER-α zu einer Überexpression des TMPRSS2-ERG-Transkriptes in Fusions-positiven NCI H-660-Prostatakarzinomzellen führt. Außerdem konnten wir einen ER-Bindungsort innerhalb des TMPRSS2-Promotors mittels Chromatin-Immunpräzipitations-Assays nachweisen.

Die Beobachtung der ER-abhängigen Signaltransduktionswege beim TMPRSS2-ERG-Prostatakarzinom hat potenzielle klinische Auswirkungen. Die Expression des TMPRSS2-ERG-Fusions-Transkriptes beim kastrationsresistenten Prostatakarzinom legt nahe, dass der TMPRSS2-Promotor auch durch ER-α-Stimulation aktiv bleiben kann. Man fand heraus, dass eine erhöhte Expression des ER-α mit Tumorprogression, Metastasierung und dem kastrationsresistenten Phänotyp einhergeht [18]. Daher könnte die klinische Anwendung von selektiven Östrogenmodulatoren (SERM), welche ER-α-stimulierende Wirkung haben, die Progression TMPRSS2-ERG-abhängiger Prostatakarzinome fördern.

Diese Daten lassen auch einen Mechanismus vermuten, mit dem ER-β als Tumorsuppressor wirken könnte, da es die TMPRSS2-ERG-Expression negativ reguliert [19]. In Experimenten an Zelllinien fanden wir heraus, dass die Aktivierung von ER-β die Expression von TMPRSS2-ERG tatsächlich vermindert. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit, ER-β-spezifische Agonisten in der Behandlung des Prostatakarzinoms zu testen und die therapeutische Verwendung von Arzneimitteln mit ER-α-agonistischer Aktivität mit großer Aufmerksamkeit zu beobachten und zu hinterfragen.

Als vielleicht wichtigsten Punkt lassen unsere Ergebnisse einen Mechanismus vermuten, mit dem Prostatakarzinome eine Androgenunabhängigkeit entwickeln können, obwohl sie initial androgenabhängig waren. Insbesondere wird das TMPRSS2-ERG-Onkogen durch Östrogenrezeptoren reguliert, wobei ER-α-Agonisten (z. B. endogene Östrogene) die Onkogenexpression stimulieren können. Diese Experimente legen nahe, dass eine pharmakologische Inhibition der TMPRSS2-ERG-Expression mittels ER-α-Antagonisten mit ER-β-agonistischer Aktivität ein viel versprechender neuer Therapieansatz für das Prostatakarzinom sein kann.

Genfusionen in anderen häufigen epithelialen Tumoren

Mit der Entdeckung rekurrenter Genfusionen im Prostatakarzinom als einem der häufigsten Tumoren des Mannes hat sich ein Paradigmenwechsel vollzogen. Mit dieser Entdeckung wurde postuliert, dass auch andere häufige epitheliale Tumoren ähnliche organspezifische Rearrangements aufweisen müssten. Schon im Jahr 2007 haben zwei unabhängige Gruppen eine rekurrente Genfusion im nichtkleinzelligen Lungenkarzinom aufdecken können [20, 21]. Dabei handelt es sich um die Fusion zwischen der analplastischen Lymphomkinase (ALK) und EML4, einem noch sehr unbekannten Gen. ALK kodiert eine Tyrosinkinase, die schon in anaplastischen Lymphomen als Teil einer Fusion beschrieben ist. Diese Fusion wurde in knapp 7% einer Gruppe von japanischen Lungenkarzinompatienten nachgewiesen [20]. Durch eine Studie konnten wir den ersten In-situ-Nachweis erbringen, dass die beiden Gene EML4 und ALK tatsächlich rearrangiert sind [22].

Da schon bald nach der TMPRSS2-ETS-Genfusion im Prostatakarzinom eine rekurrente Genfusion auch in einem anderen sehr häufigen Tumor entdeckt wurde, gehen wir davon aus, dass sich auch im nichtkleinzelligen Lungenkarzinom und anderen häufigen epithelialen Tumoren wie dem Mamma- und Kolonkarzinom weitere pathognomonische Genfusionen mit klinischer Bedeutung finden lassen.

Fazit für die Praxis

Die kürzliche Entdeckung rekurrenter Genfusionen im Prostatakarzinom gilt als wissenschaftlicher Meilenstein in der Genetik solider Tumoren. Damit hat sich ein neues Forschungsfeld aufgetan, das mehr neue Fragen aufwirft, als es bisher beantworten kann. Die Herausforderung wird sein, u. a. folgende Fragen zu beantworten:

  • Kommen charakteristische Genfusionen in allen humanen Malignomen vor?

  • Warum gibt es Genfusionen? DNA-Doppelstrangbrüche sind die Basis für alle Genrearrangements und resultieren aus hochenergetischer Strahlung oder Karzinogenen. Wie beim Prostatakarzinom konnte für die meisten Genrearrangements keine spezifische Ursache identifiziert werden.

  • Wann entsteht eine Genfusion? Für viele Tumoren, die durch eine Genfusion charakterisiert sind, gibt es keine präneoplastischen Zellen, die man auf die Genfusion untersuchen kann.

  • Sind Genfusionen als alleiniges Ereignis für eine neoplastische Transformation ausreichend?

  • Können Genfusionen als zuverlässige prognostische oder prädiktive Marker und als Grundlage einer rationalen Therapie herangezogen werden?