Der menschliche Zellkern beherbergt rund zwei Meter DNA, die auf engstem Raum gefaltet und organisiert ist. Diese Organisation erfolgt nicht zufällig, sondern in einer hochkomplexen, dreidimensionalen Struktur, die essenziell für die Regulierung der Genexpression ist. Insbesondere bei Krebs spielen Veränderungen in dieser 3D-Genomarchitektur eine vitalere Rolle, als bisher angenommen wurde. Die jüngsten Forschungen zur dreidimensionalen Genomlandschaft primärer menschlicher Tumore bieten einen tiefen Einblick in die Mechanismen, die zur Krebsentstehung und -progression beitragen, und eröffnen gleichzeitig neue Chancen für diagnostische und therapeutische Ansätze. Die dreidimensionale Genomstruktur ist mehrstufig organisiert. Auf der Ebene der Chromosomen lassen sich sogenannte A- und B-Kompartimente unterscheiden, wobei Kompartiment A mit aktiver, offener Chromatinstruktur (Euchromatin) und Kompartiment B mit heterochromatinreichem, inaktiven Genomabschnitt assoziiert ist.
Innerhalb dieser Kompartimente existieren topologisch assoziierte Domänen (Topologically Associating Domains, TADs), die das Genom in funktionale Blöcke unterteilen und Interaktionen innerhalb dieser Domänen fördern, während sie Interaktionen zwischen Domänen einschränken. Auf einer feinen Skala verbinden sogenannte Enhancer-Promotor-Schleifen verteilt im Raum entfernte regulatorische Elemente mit den Promotoren ihrer Zielgene und ermöglichen so eine gezielte und zelltypspezifische Genexpression. In Krebszellen können zahlreiche genetische Veränderungen auftreten, die sich auf diese 3D-Architektur auswirken. Insbesondere strukturelle Variationen wie Deletionen, Duplikationen, Inversionen und Translokationen können dazu führen, dass regulatorische Elemente neu angeordnet werden und sich dadurch auf unerwartete Weise mit Genen verbinden – ein Phänomen, das als Enhancer-Rewiring bezeichnet wird.
Dieses kann die Expression von Onkogenen steigern, die normalerweise kontrolliert oder inaktiv sind, und so das Tumorwachstum fördern. Ein bahnbrechendes Forschungsprojekt untersuchte die 3D-Genomlandschaft von 69 Tumorproben aus 15 verschiedenen primären menschlichen Krebsarten. Mittels der innovativen HiChIP-Technologie, die Chromosomenfaltung zusammen mit der Aktivität von Enhancern (gemessen über die Histonmarkierung H3K27ac) kartiert, wurde die komplexe Vernetzung von Enhancern und Promotoren analysiert. Die Resultate offenbarten drei archetypische Muster der Enhancer-Nutzung bei über 100 Onkogenen: statische Nutzung, selektive Verstärkung in einzelnen Krebsarten oder dynamische Neuanordnung der Interaktionen. Diese Muster zeigen eine bemerkenswerte Diversität nicht nur zwischen Krebsarten, sondern auch im Inneren einzelner Tumore auf.
Die Integration von tiefgehender Vollgenomsequenzierung (Whole Genome Sequencing, WGS) ermöglichte zudem, strukturelle Varianten präzise zu detektieren und deren Einfluss auf die 3D-Genomarchitektur zu beschreiben. Solche strukturellen Varianten reichen von punktuellen Mutationen in nicht-kodierenden Regionen bis zu größeren chromosomalen Umschlagpunkten oder extrachromosomaler DNA (ecDNA). Besonders extrachromosomale DNA, die als ringförmige Moleküle vorliegt und nicht in die chromosomale DNA eingebettet ist, zeigte eine ausgeprägte Fähigkeit induzierte Enhancer-Neuverschaltungen hervorzurufen. Diese ecDNA-Amplifikationen sind häufig mit einer massiv erhöhten Onkogenexpression und schlechter Prognose assoziiert. Ein weiterer signifikanter Aspekt der Studie war die Analyse der Tumormikroumgebung (Tumor Microenvironment, TME).
Hier leben neben den malignen Zellen auch verschiedene nicht-krebsartige Zelltypen, insbesondere Immunzellen, die wesentlich das Tumorwachstum und die Ansprechbarkeit auf Therapien beeinflussen. Durch die Kombination von HiChIP- und Einzelzell-Chromatinzugänglichkeit (scATAC-seq) konnten zelltypspezifische Enhancer-Promotor-Interaktionen entwirrt werden. So wurde beispielsweise ein myeloidzell-spezifischer Enhancer identifiziert, der die Expression des Immuncheckpoint-Genproduktes PD-L1 reguliert. Dieses Gen spielt eine zentrale Rolle bei der Immunflucht von Krebszellen und ist therapeutisch durch Checkpoint-Inhibitoren adressierbar. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass das immunologische Milieu eines Tumors durch unterschiedliche Enhancer-Aktivitäten in verschiedenen Zelltypen mitbestimmt wird.
Während die genetischen Risikofaktoren für Krebs oft in den Malignen Zellen verankert sind, zeigt die Regulation durch Enhancer in den Nicht-Malignen Zelltypen, wie wichtig eine ganzheitliche Betrachtung der Tumormikroumgebung für Therapieansätze ist. Ein Schwerpunkt der Studie lag auch auf der Identifikation funktioneller nicht-kodierender somatischer Mutationen, die durch Einfluss auf die Enhanceraktivität und -konnektivität die Expression von Onkogenen steigern können. Dabei wurde eine Vielzahl solcher Mutationen detektiert, die beispielsweise neue Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren schaffen und so die Aktivität regulatorischer Elemente erhöhen. Bei einzelnen Patienten konnten dadurch erhebliche Steigerungen der Aktivität und Expression bei wichtigen Onkogenen wie MECOM und FGFR1 nachgewiesen werden, was die Bedeutung nicht-kodierender Genomregionen bei Tumorprogression unterstreicht.
Die Analyse komplexer struktureller Variationen ermöglichte eine weitere Einordnung, wie Genomumlagerungen die 3D-Struktur beeinflussen. Die Rekonstruktion der chromosomalen Architektur zeigte, dass Translokationen oft neue Topologische Assoziationsdomänen (neoTADs) bilden und dadurch neue Enhancer-Promotor-Schleifen (Neoloops) entstehen. Neben linearen und komplexen Strukturen stellten ringförmige ecDNA-Amplifikationen die intensivste Form dar, mit der Anzahl der neuen Interaktionen pro Länge des amplifizierten Genomabschnitts und einer äußerst dynamischen Reorganisation des Genoms. Die beschriebene Studie leistet einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der komplexen räumlichen Organisation des Krebsgenoms und deren Auswirkungen auf die Genregulation und Tumorbiologie.
Die Erkenntnis, dass die 3D-Genomebene weitreichende Informationen zu Tumorheterogenität, onkogenen Signalwegen, immunologischer Interaktion und der Wirkung struktureller Mutationen liefert, eröffnet neue Forschungs- und Therapiepfade. Perspektivisch könnten die Untersuchungen der 3D-Genomlandschaft als Grundlage dienen, um auf Patienten zugeschnittene Therapiestrategien zu entwickeln. Die Unterscheidung, ob Onkogenüberexpression vorwiegend durch DNA-Kopienzahlveränderungen oder durch Enhancer-Rewiring verursacht wird, könnte darüber entscheiden, welche zielgerichtete Therapie erfolgsversprechend ist. Darüber hinaus erlauben die molekularen Einblicke in das Zusammenspiel von Malignen Zellen und Immunsystem auch eine gezielte Modulation des Tumormilieus, wodurch die Wirkung von Immuntherapien optimiert werden kann. Zusammenfassend hat die Erforschung der dreidimensionalen Genomlandschaft von primären menschlichen Krebserkrankungen eine neue Dimension der Krebsbiologie eröffnet.
Das Zusammenspiel von Genomstruktur, epigenetischer Regulation und genetischer Variation bildet eine komplexe Grundlage für die Entstehung und Dynamik von Tumoren. Fortschritte in Technologien wie HiChIP, kombiniert mit anderen omischen Daten, verschieben das Verständnis von Krebsgenetik von einer eindimensionalen Sequenzbetrachtung hin zu einer räumlichen, funktionellen Genomlandschaft. Dieses Wissen wird im Laufe der kommenden Jahre maßgeblich zur Entwicklung verbesserter Diagnostik, individuell zugeschnittener Therapien und letztlich zu einer besseren Prognose für Krebspatienten beitragen.
