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Genese und Therapie der akuten Promyelozytenleukämie (APL)

Erstellt von: Hellenbrecht (Infozentrum Projekt 2) , am: 28.03.2007, letzte Änderung: 12.02.2008

Autoren: Dr. G. Fingerle-Rowson und PD Dr. Martin Ruthardt, Universität Frankfurt für Teilprojekt Molekulare Therapien (TP27), Stand: Dezember 2005

Die Genese der akuten Promyelozytenleukämie (APL)

Leukämien sind eine heterogene Gruppe maligner Erkrankungen der hämopoetischen Zellen. Sie sind definitionsgemäß monoklonal, d.h., das Leukämie-induzierende Ereignis läßt sich auf die maligne Transformation (= bösartige Entartung) einer Zelle zurückführen. Die Leukämien werden ihrem Zelltyp entsprechend in myeloisch oder lymphatisch und ihrem natürlichen Verlauf entsprechend in akut oder chronisch unterteilt.
Die Akute myeloische Leukämie (AML) ist eine klonale Erkrankung einer frühen myeloischen Vorläuferzelle. Bei den akuten myeloischen Leukämien sind die Blasten in ihrer normalen terminalen Differenzierung blockiert. Im Knochenmark und im peripheren Blut kommt es dadurch zu einer massiven Anreicherung proliferierender hämopoetischer Vorläufer. Dies führt wiederum zur Verdrängung der normalen Blutbildung im Knochenmark und damit zur hämopoetischen Insuffizienz mit Granulozytopenie, Anämie und Thrombopenie, die, ohne Therapie, innerhalb weniger Wochen zum Tode führt.

Spezifische Translokationen lösen die Akute Promyelozytenleukämie (APL) aus

Die APL ist ein gut charakterisierter Untertyp der AML. Wie bei vielen Formen der AML, wird auch die APL durch Translokationen ( = Verlagerung von Chromosomenstückchen an ein anderes Chromosom) hervorgerufen.
Die APL ist durch folgende spezifische Translokationen, die konstant Chromosom 17 involvieren, charakterisiert: t(15;17), t(11q23;17), t(5;17) und t(11q13;17). 95% der APL-Patienten haben eine t(15;17) und 2-5% eine t(11q23;17). Die anderen Translokationen kommen sporadisch vor.
Bei beiden Translokationen wird der gleiche Anteil des Retinsäurerezeptors-alpha (RAR-alpha)-Gens mit jeweils verschiedenen Translokationspartnern fusioniert. Bei der t(15;17) ist RAR-alpha mit dem Gen für das Protein Promyelocytic Leukemia (PML) und bei der t(11q23;17) mit dem Gen für das Protein Promyelocytic Leukemia Zinc Finger (PLZF) fusioniert. Durch diese Fusionen werden die Gene für diese Proteine mutiert und damit in ihrer normalen Funktion verändert. Die neuen Genprodukte nennt man nun PML/RAR-alpha bzw. PLZF/RAR-alpha da sie eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Proteinen sind.
Am Modell von hämopoetischen Vorläuferzellinien kann durch die experimentelle Expression der Translokationsprodukte PML/RAR-alpha oder PLZF/RAR-alpha der APL-Phänotyp, d.h. der leukämische Differenzierungsblock und das Ansprechen auf all-trans-Retinsäure (ATRA) reproduziert werden. Die Proteine PML, PLZF und RAR-alpha in ihrer normalen Form sind alleine nicht in der Lage, diesen Phänotyp zu induzieren.
Normales RAR-alpha ist ein Transkriptionsfaktor (= Protein, welches die Expression von Genen reguliert), dessen Aktivität durch die Bindung an den Histon-Deacetylase (HD) rekrutierenden nukleären Korepressoren Komplex (HD-NCR) via N-CoR und SMRT gesteuert wird. Deacetylierung der Histone hält das Chromatin in einem für die Transkriptionsmaschinerie unzugänglichen Zustand (Abb. 1).

Abb.1: Ursache der Reifungsstörung bei der APL

Die Fusionsproteine PML/RAR-alpha und PLFZ/RAR-alpha rekrutieren über nukleäre Korepressoren wie N-Cor und mSin3 Histondeacetylasen, welche durch Deacetylierung der Histone das Chromatin in einem nicht abschreibbaren Zustand halten.
HD = Histondeacetylase

 

Die Rekrutierung der HD-Aktivität durch RAR-alpha ist Ligand-abhängig, d.h. sie wird durch die Bindung von ATRA an RAR-alpha gelöst, wodurch die Acetylierung der Histone und damit die Transkription der ATRA Zielgene freigegeben wird (Abb.2).

Abb.2: Überwindung des Differenzierungsblocks bei der APL durch ATRA

Durch die Bindung von ATRA wird die Rekrutierung der Histondeacetylase via N-Cor und mSin3 verhindert. Dadurch wird das Chromatin wieder für die Transkriptionsmaschinerie zugänglich und die für die Differenzierung benötigten Gene können abgeschrieben werden.

Auch die verstärkte ATRA-Sensitivität der t(15;17)(PML/RAR-alpha) positiven APL-Blasten wird über diesen RAR-alpha vermittelten Mechanismus gesteuert.

Warum wirkt ATRA nicht bei der t(11;17)?

Der ATRA-resistente Phänotyp der t(11;17) APL wird dadurch erklärt, daß im PLZF/RAR-alpha auch der PLZF-Anteil die Histondeacetylase-Aktivität rekrutiert und zwar über die Bindung der Korepressoren an die N-terminale POZ-Domäne (Abb. 1B). Da diese Bindung im Gegensatz zu der an den RAR-alpha-Anteil Ligand-unabhängig ist, bleibt die Chromatinkonformation im Bereich der ATRA Zielgene für die Transkriptionsmaschinerie unzugänglich, so daß die Transkription der ATRA Zielgene trotz der Ablösung des HD-NCR vom RAR-alpha-Anteil gehemmt bleibt (Abb.2).
Dies ist der molekularbiologische Mechanismus, welcher erklärt, warum Patienten mit t(11;17) auf die Behandlung mit all-trans-Retinsäure nicht ansprechen, während die APL-Patienten mit Translokation (15;17) in 90% der Fälle unter ATRA eine Vollremission erreichen.

Weiterführende Literatur:

Melnick A, Licht JD. Deconstructing a disease: RARalpha, its fusion partners, and their roles in the pathogenesis of acute promyelocytic leukemia.
Blood. 1999 May 15;93(10):3167-215.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?CMD=Search&DB=PubMed

Therapiemöglichkeiten bei der akuten Promyelozyten Leukämie (APL, FAB M3)

Akute myeloische Leukämien (AML) sind gekennzeichnet durch eine Ansammlung von hämatopoietischen Vorläuferzellen im Knochenmark und peripheren Blut. Diese unreifen, leukämischen Zellen zeigen die Morphologie eines bestimmten Stadiums der myeloischen Differenzierung und werden danach in der Französisch-amerikanischen Britisch Klassifikation (FAB) der AML in die jeweiligen Subtypen eingeteilt. Die akute Promyelozyten Leukämie (APL) wird nach diesen Kriterien als FAB M3 klassifiziert.
Der AML-Phänotyp scheint durch die verstärkte Vermehrung dieser blastären (=leukämischen) Zellen erhalten zu werden, was aus der Kombination von zwei Komponenten herrührt:

1. Eine Blockierung in der Ausreifung behindert die Vorläuferzellen das reifere Stadium zu erreichen, in welchem ihre Zellteilungsaktivität nachlässt und die Zelle durch programmierten Zelltod (Apoptose) sterben kann („Differenzierungsblock“)
2. Eine verstärkte Fähigkeit zur Selbsterneuerung der leukämischen Vorläuferzelle

Das zytogenetische Kennzeichen der APL ist die Translokation t(15;17). In seltenen Fällen werden auch alternative Translokationen gefunden wie die t(11;17)(q23;21), die t(5;17) oder andere sporadische Translokationen, welche immer den Genort des Retinsäure-Rezeptors alpha auf dem Chromosome 17 beinhalten.
In der Klinik unterscheidet sich die APL von anderen AML-Subtypen durch:

1. lebensbedrohliche Blutungsstörungen, die die häufigste Ursache für ein frühes Versterben sind, und
2. das Erreichen einer Komplettremission in circa 90% der APL-Patienten durch die Behandlung mit der all-trans-Retinsäure (ATRA) sowie durch
3. das Erreichen von Komplettremissionen bei 75-90% der APL-Patienten bei Therapie mit niedrig dosiertem Arsen-Trioxid.

Im Gegensatz zu den anderen AML-Subtypen sind die APL-Blasten biologisch durch ihre Empfindlichkeit auf ATRA und trivalentem Arsen gekennzeichnet. Während ATRA die Komplettremission durch Differenzierung der Blasten erzielt, erreicht trivalentes Arsen die Komplettremission auf zwei Wegen, der Differenzierung von Blasten und der Aktivierung des Zelltodprogrammes.
Die Behandlung mit ATRA kann rasch die Blutungsstörungen kontrollieren und eine hohe Rate an Komplettremissionen erzielen, welche aber nicht von Dauer sind, wenn ATRA nicht mit Chemotherapie kombiniert wird. Die Kombination von ATRA mit Chemotherapie führt heutzutage zu einem Langzeitüberleben von 75-90% der Patienten 5 Jahre nach Diagnosestellung.
Andere viel versprechende Substanzen für die Behandlung der APL sind Derivate von trivalentem Arsen, welche auch bei Patienten, die einer Behandlung mit ATRA gegenüber resistent sind, noch eine signifikante Rate an Komplettremissionen erzielen können. Aufgrund der Tumorzell-spezifischen Wirkung ist die Behandlung mit Arsen-Derivaten sehr gut verträglich, insbesondere gibt es keine knochenmarkstoxische Wirkung. Daher tritt die von der konventionellen Chemotherapie her bekannte lebensbedrohliche Knochenmarksaplasie bei der Behandlung mit Arsen-Derivaten nicht auf.
Ergebnisse in der Zellkultur deuten darauf hin, dass es möglich sein könnte, die Kombination aus ATRA plus Chemotherapie durch die Kombination aus ATRA plus Arsen zu ersetzen. Vor kurzem begannen klinische Studien, welche das Ziel haben die Effektivität der Behandlung mit ATRA + Arsen mit der Effektivität der Standardbehandlung mit ATRA + Chemotherapie zu vergleichen. Ergebnisse dieser Studien werden in den kommenden Jahren zu erwarten sein.