Expression der Caspase-unabhängigen Apoptosefaktoren Apoptosis-Inducing-Factor (AIF) und Endonuklease G im Vergleich zu aktivierter Caspase-3 in humanen Astrozytomen unterschiedlichen WHO-Grads und deren Assoziation mit dem Überleben

Abstract

Das momentane Verständnis von Tumoren in menschlichem Gewebe beinhaltet die Hypothese, dass Störungen der Regulation apoptotischer Signalwege und damit verbundene Störungen des Ablaufs der Apoptose für die Entwicklung von Tumorerkrankungen und deren mögliche Resistenz gegenüber zytotoxischer Chemotherapie, wie es bei humanen Gliomen der Fall ist, verantwortlich sind. Um die Rolle der Caspase-unabhängigen nukleären Apoptosefaktoren AIF und Endonuklease G in Astrozytomen der WHO-Grade I-IV zu evaluieren, wurde in der vorliegenden Arbeit ihre Expression im Vergleich zu aktivierter Caspase-3 in 194 Astrozytomen und 23 Normalhirnkontrollen immunhistochemisch mit der TMA-Methode sowie ihre Assoziation mit dem Überleben der Patienten untersucht. Für AIF und Endo G fanden sich die maximalen Expressionen in hochmalignen Astrozytomen WHO-Grad III und IV, während sich für aktivierte Caspase-3 ein abfallendes Expressionsmuster mit der niedrigsten Expression in Glioblastomen WHO-Grad IV zeigte. Diese gegensätzliche Regulation der Proteinexpressionen des Caspase-abhängigen und -unabhängigen Signalwegs sprechen für eine wesentliche Rolle von AIF und Endo G im Zelltod von hochmalignen Astrozytomen und für eine Hemmung der Caspase-3-Aktivierung, eventuell durch IAP-Proteine oder Hitzeschockprotein 70. In den Korrelationsanalysen zeigten sich positive Zusammenhänge in der Expression von AIF und Endo G in WHO Grad-III, von AIF und aktivierter Caspase-3 in WHO-Grad II und von Endo G und aktivierter Caspase-3 in WHO-Grad IV Tumoren. Diese Ergebnisse deuten auf die Komplexität der Auslösung, der Regulation und der Durchführung apoptotischer Prozesse in maligne transformierten Zellen hin, die der Grund für tumorabhängige Unterschiede in der Expression von apoptotischen Proteinen sind. Eine genaue Hierarchie unter den zahlreichen Proteinen und einheitliche Abläufe der Aktivierung als gesetzartige Vorschrift sind nicht festzulegen. In der peripheren Infiltrationszone von Glioblastomen wurde eine vermehrte Expression und damit eine stärkere Beteiligung von aktivierter Caspase-3 am Zelltod in der Peripherie als in den Tumorzentren ermittelt. Die Analyse von 31 Rezidivtumoren im Vergleich zu ihren Primärtumoren ergab keine signifikanten Unterschiede in der Expression aller drei Apoptoseproteine. Damit scheinen die untersuchten Faktoren auf Expressionsebene nicht an der Entwicklung möglicher Resistenzen durch die Radiochemotherapie beteiligt. In den 23 Normalhirnkontrollen zeigten alle drei Apoptoseproteine eine signifikant höhere Expression in der grauen Substanz als in der weißen Substanz, was ihre Beteiligung an der neuronalen Reaktion auf ein präfinales ZNS-Ereignis demonstriert. In den Analysen mit der postoperativen Überlebenszeit der Astrozytom-Patienten fand sich keine statistisch signifikante Assoziation der Proteinexpression und damit der Aktivierung der apoptotischen Proteine auf die Prognose. Das Alter der Patienten zum Zeitpunkt der Operation stellte sich als der dominierende Faktor für das Überleben heraus. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Caspase-unabhängigen nukleären Apoptosefaktoren AIF und Endo G eine wichtige Rolle im Zelltod von hochmalignen Astrozytomen zu spielen scheinen. Zukünftige zytotoxische Therapieansätze sollten ihre Wirksamkeit über die Aktivierung des Caspase-vermittelten als auch des Caspase-unabhängigen Zelltods überprüfen. Nur mit einer maximalen apoptotischen Aktivierung der Tumorzellen können sich rasch entwickelnde Resistenzmechanismen vermieden und Erfolg versprechende zytotoxische Behandlungskonzepte für diese hochmalignen Tumoren gewonnen werden.

The present concept of tumorgenesis in human tissue describes the hypothesis of defects in the regulation of apoptotic pathways and subsequent defects in the apoptotic signaling cascade which are responsible for the development of tumors and their potential resistance to cytotoxic therapy, for example in human gliomas. AIF and Endonuclease G are capase-independent apoptotic nucleases released from mitochondria. In this study the expression of AIF and Endo G has been analyzed compared to the expression of cleaved Caspase-3 in tissue micro array of 194 astrocytomas of different WHO grade (I-IV) by immunohistochemistry. AIF and Endo G showed maximal expression in anaplastic astrocytoma WHO grade III and glioblastoma WHO grade IV while cleaved Caspase-3 is downregulated in high-grade glioma demonstrating least expression in glioblastoma. The oppositional expression patterns determine an important role of caspase-independent cell death in human gliomas and an inhibition of Caspase-3 activation, possibly due to IAP proteins or heat shock protein 70. Correlation analysis of AIF and Endo G showed significant coherence in grade III astrocytoma, while cleaved Caspase-3 correlated with AIF in grade II and with Endo G in grade IV. Due to the complex regulation and activation of apoptosis in tumors, the correlation analysis does not determine a consistent way of regulation of the caspase-independent factors AIF and Endo G. Cleaved Caspase-3 showed significant higher expression in the infiltration zone of glioblastoma compared to the tumor´s center. In relapse glioblastoma there was no significant result for each of the apoptotic proteins compared with the corresponding primary tumor. The normal brain control revealed higher expression of all three proteins in the grey matter suggesting their involvement in prefinal neuronal cell death. In survival analysis there was no significant association between protein expression and survival. The age of the patient at operation was the strongest factor influencing prognosis and survival. In conclusion, AIF and Endo G can be considered as strong caspase-independent nuclease effectors compensating for disturbed caspase-mediated apoptosis in human glioma. Further cytotoxic therapies should prove their effectiveness by activating both caspase-dependent and -independent cell death.