CTSL

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Einleitung

Proteolytische Enzyme sind bei vielen Erkrankungen essenziell, insbesondere in mehreren Stadien der Progression maligner Tumoren. Extrazelluläre Proteasen können Tumorwachstum und Angiogenese fördern und sind zudem aktiv an Schlüsselschritten beteiligt, darunter die Ablösung von Tumorzellen, der Abbau extrazellulärer und interstitieller Matrizes sowie der Basalmembran, die Intravasation und Extravasation über das lymphatische System. Daher haben die Erforschung dieser Proteasen und die Entwicklung entsprechender Interventionsstrategien zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Seit die Bedeutung von Matrix-Metalloproteasen (MMPs) für Tumorprogression und Metastasierung erkannt wurde, wurden umfangreiche Entwicklungsprogramme für MMP-Inhibitoren initiiert. Aufgrund unerwünschter Nebenwirkungen und/oder fehlenden klinischen Nutzens mussten jedoch zahlreiche klinische Studien mit MMP-Inhibitoren abgebrochen werden. Vor dem Hintergrund dieses klinischen Misserfolgs ist das Targeting von Proteasen zur Hemmung der Tumorprogression weitgehend in den Hintergrund getreten. Neuere Studien, die andere proteolytische Enzymtargets untersuchen, zeigen jedoch, dass die Entwicklung selektiver Inhibitoren der perizellulären Proteolyse die Tumorprogression und Metastasierung deutlich beeinträchtigen könnte; damit wird das Konzept des proteolytischen Enzym-Targetings wieder aufgegriffen.

Dieser Artikel fokussiert auf Cathepsin L (CTSL), ein Familienmitglied, das eng mit maligner Progression und metastatischer Erkrankung assoziiert ist. Im Vergleich zu Normalgewebe oder benignen Tumoren zeigen Aktivitätsmessungen, dass die proteolytische Aktivität von CTSL in neoplastischem Gewebe signifikant erhöht ist. Die Funktion von CTSL wird zudem strikt durch die Konzentration seiner endogenen Inhibitoren reguliert. Unabhängige experimentelle Untersuchungen berichten, dass in hochinvasiven Brustkrebs- und Prostatakarzinomzellen im Vergleich zu gering invasiven und schwach tumorigenen Zellen ein signifikantes Ungleichgewicht zwischen CTSL und den endogenen Inhibitoren besteht. Dieses Ungleichgewicht ermöglicht ein Entziehen von der Regulation und kann zur unkontrollierten Aktivierung proteolytischer Kaskaden beitragen.

Tabelle 1. CTSL-Hochregulation bei humanen Krebserkrankungen (Sudhan, D.R.; Siemann, D.W. 2015)

Nukleäres Cathepsin L

Neben dem sekretorischen CTSL wurde in zahlreichen Studien auch das Vorhandensein einer verkürzten nukleären Isoform von CTSL beschrieben. Nukleäres CTSL besitzt keine Signalpeptide zur Zielsteuerung in das endoplasmatische Retikulum, enthält jedoch ein mutmaßliches nukleäres Lokalisationssignal, was die Translokation in den Zellkern erklären könnte. Nukleäres CTSL kann den Transkriptionsfaktor CCAAT-displacement protein/cut homeobox (CDP/Cux), der eng mit einer ungünstigen Prognose assoziiert ist, proteolytisch prozessieren und aktivieren. Das durch CTSL prozessierte CDP/Cux zeigte signifikant verstärkte DNA-Bindungseigenschaften, wodurch Tumorzellen Replikations- und Metastasierungsvorteile erlangen. CDP/Cux kann die Proliferation von Tumorzellen fördern und zudem die invasiven Eigenschaften von Tumoren verstärken, indem es charakteristische Merkmale der epithelial-mesenchymalen Transition (EMT) stimuliert.

Nukleäres CTSL kann die Tumorprogression auch über weitere, CDP/Cux-unabhängige Mechanismen fördern. Nukleäres CTSL ist häufig bei Patientinnen mit triple-negativem Mammakarzinom sowie bei Patientinnen mit Keimbahn- oder somatischen Mutationen im Tumorsuppressorgen BRCA1 signifikant hochreguliert. Tatsächlich kann der erhöhte nukleäre CTSL-Spiegel als prädiktiver Biomarker für diese Subgruppe von Brustkrebspatientinnen dienen. BRCA1-defiziente Zellen kompensieren genomische Instabilität durch Überexpression von nukleärem CTSL, welches wiederum 53BP1 proteolytisch abbaut. Damit verschafft nukleäres CTSL BRCA1-defizienten Tumorzellen nicht nur einen Überlebensvorteil, sondern verbessert auch deren DNA-Reparaturkapazität und macht sie resistent gegenüber Bestrahlung und genotoxischen Chemotherapeutika (wie PARP-Inhibitoren, Cisplatin und Mitomycin C).

Abbildung 1. Unterschiedliche Rollen von sekretiertem und nukleärem CTSL (Sudhan, D.R.; Siemann, D.W. 2015)

Targeting von Cathepsin L

Die Rolle von CTSL bei der Förderung von Tumorprogression und Metastasierung sowie sein Beitrag zur krebsassoziierten Knochenresorption haben großes Interesse an der Entwicklung von Interventionsstrategien gegen CTSL geweckt. Da die ungebremste CTSL-Aktivität aus dem Ungleichgewicht zwischen den Spiegeln von CTSL und endogenen Inhibitoren resultiert, haben einige Studien versucht, die proteolytische Funktion von CTSL durch ektopische Applikation oder Überexpression endogener Inhibitoren zu eliminieren. Hervorzuheben ist, dass Gianotti et al. dies umgesetzt haben. Sie zeigten, dass die antiinvasiven Eigenschaften der Cystatin-Überexpression hauptsächlich durch die Inaktivierung von extrazellulärem und nicht von intrazellulärem CTSL vermittelt werden, und bestätigten damit weiter die Hypothese, dass der metastatische Phänotyp von Tumorzellen primär durch sekretiertes CTSL getrieben wird. In unterschiedlichen Tumormodellen (einschließlich Osteosarkom, Gliom, Myelom und Melanom) führte eine CTSL-Downregulation mittels RNA-Interferenz zu einer konsistenten Hemmung der Tumorigenität und Invasivität neoplastischer Zellen. Zusätzlich zu seinem antiinvasiven Effekt wurde berichtet, dass die Inhibition von CTSL beim Glioblastom auch die Sensitivität von Tumorzellen gegenüber apoptoseinduzierenden Wirkstoffen erhöht.