CT45 – A key to long-term survival in ovarian cancer

Ovarian Cancer
Ovarian cancer is a very aggressive disease. Only every sixth patient survives more than 10 years after the first diagnosis. The majority of patients succumb to the disease within the first two years, which is mainly due to late detection of the disease when the tumor has already spread from the ovaries to the surrounding organs in the abdomen. Standard treatment involves surgical debulking followed by platinum-based chemotherapy. “Although, for the majority of patients, this typically leads to an immediate response to therapy and reduction of tumor mass, the therapeutic effects are rarely permanent”, explains Prof. Dr. Ernst Lengyel from the University of Chicago, a world-leading gynecological oncologist. With over 42,000 deaths per year, ovarian cancer is the deadliest gynecologic malignancy in Europe.

Cause analysis
Scientists from the Max Planck Institute (MPI) of Biochemistry in Martinsried, Munich, have now in collaboration with researchers from Chicago and Copenhagen set out to elucidate the molecular basis for patient long-term survival. "Only if we understand the molecular causes and differences between patients who respond well or poorly to therapy, will we improve the treatment of ovarian cancer in the clinic, and also pave the way for more personalized treatment options in the future" explains Lengyel, who initiated the study together with Prof. Dr. Matthias Mann, a pioneer and leading scientist in the field of mass spectrometry based proteomics. Mann is director at the MPI of Biochemistry and head of the department "Proteomics and Signal Transduction". The DNA within our cells contains the instruction how to assemble proteins, the molecular machines that form the main players of most biological processes such as for metabolism or cellular signaling. In recent years, Mann and his team has developed and refined the technology of mass spectrometry for protein analysis to be for clinical use. "Using mass spectrometry, we can identify for the first time almost all of the proteins, the proteome, in the tumor tissue of the patients," says Mann. "Our highly sensitive methods now enable profiling thousands of proteins simultaneously, allowing us to search for the proteins that are critical to the disease by comparing the tissue samples," Prof. Mann continues.

CT45 influences long-term survival
For their analysis, the researchers used archived biobank material from the University of Chicago collected over many years, most of which originated from the initial operation of the patients. "This way, we can look back to the past in a way because we know exactly how the patient reacted to chemotherapy," says Dr. Fabian Coscia, first-author of the study and a Ph.D. student with Dr. Mann and now a postdoctoral fellow in Copenhagen. With the help of mass spectrometry, the researchers discovered a protein called CT45, completely unknown till then, which was significantly increased in long-term survivors. Subsequent tests in the laboratory have confirmed the CT45 findings. When cancer cells produced the protein in cell culture, cells died much faster from standard chemotherapy.

CT45 a suicide gene?
But why does the cancer produce the protein CT45 if it promotes its own killing after chemotherapy? "The simple answer to this is that the cancer does not ‘know’ that it will be treated with platinum based chemotherapy" explains Coscia. "The samples we analyzed with proteomics were taken before chemotherapy. An adaptation of the tumor to the treatment has not yet taken place. We made similar observations in laboratory studies with isolated ovarian cancer cells."

Healthy cells normally only produce proteins that are needed for their specific tasks, for example, tasks typical for ovarian function. Although the blueprint for proteins, DNA, is the same in all cells, most of the protein assembly instructions are biochemically sealed. This means that only the ovary-specific "program", i.e. DNA, can be accessed. However, once a cell transforms and becomes a cancerous cell, it can lose its seal, the so-called methylation, and often proteins such as CT45 are then produced. Currently there are the first drugs in clinical trials that have a de-methylating effect. Experiments in cell culture indicate that the effectiveness of chemotherapy can be improved by these so-called DNA-de-methylating drugs. “We suspect that CT45 plays a major role in this because it is one of the most abundant proteins in the tumor induced by the drug. This gives us hope that patients who do not have the protein in their tumor could still benefit from combination chemotherapy," says Dr. Marion Curtis, a postdoctoral fellow in the Lengyel laboratory and the last author of the study.

Blessing in disguise
The researchers have made great progress in understanding CT45’s function. This gives hope for the development of new and more targeted therapeutic approaches. "We have evidence that tumor-specific expression of CT45 stimulates the patient's immune system to fight the cancer, as it would be the case with a virus or bacterial-infected cell. "Our long-term goal is to find new ways to improve patient outcomes based on these exciting new insights," summarizes Prof. Dr. Lengyel.

Original publication
F. Coscia, E. Lengyel, J. Duraiswamy, B. Ashcroft, M. Bassani-Sternberg, M. Wierer, A. Johnson, K. Wroblewski, A. Montag, S. D. Yamada, B. López-Méndez, J. Nilsson, A. Mund, M. Mann, and M. Curtis: Multi-level proteomics identifies CT45 as a chemosensitivity mediator and immunotherapy target in ovarian cancer, Cell, September 2018

Ursachenforschung
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts (MPI) für Biochemie in Martinsried bei München, haben nun gemeinsam mit Forschern aus Chicago und Kopenhagen die molekularen Grundlagen für das Langzeitüberleben von Patienten untersucht. "Erst wenn wir die molekularen Ursachen und die Unterschiede zwischen Patientinnen, die gut oder schlecht auf die Therapie reagieren, verstehen, werden wir die Behandlung von Eierstockkrebs in der Klinik verbessern und auch den Weg für personalisiertere Behandlungsoptionen in der Zukunft ebnen", erklärt Lengyel, welcher die Studie, gemeinsam mit Prof. Dr. Matthias Mann, einem Pionier und führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der massenspektrometrischen Proteomik, initiiert hat. Mann ist Direktor am MPI für Biochemie und Leiter der Abteilung "Proteomics und Signaltransduktion".

Proteinforschung
Die DNS in unseren Zellen ist die Bauanleitung für Proteine - molekularen Maschinen, die die Hauptakteure der meisten biologischen Prozesse sind. Dazu gehören zum Beispiel Proteine für den Stoffwechsel oder die zelluläre Signalgebung. In den letzten Jahren haben Mann und sein Team die Technologie der Massenspektrometrie für die Proteinanalyse für den klinischen Einsatz entwickelt und verfeinert. "Mit der Massenspektrometrie können wir zum ersten Mal fast alle Proteine, das Proteom, im Tumorgewebe der Patienten identifizieren", sagt Mann. "Unsere hochsensitiven Methoden ermöglichen es nun, Tausende von Proteinen gleichzeitig zu analysieren und anhand der Gewebeproben nach den für die Krankheit kritischen Proteinen zu suchen".

CT45 beeinflusst das Langzeitüberleben
Für Ihre Analyse nutzten die Forscher von Prof. Lengyel und seinem Team archiviertes und über viele Jahre gesammeltes Biobankmaterial der Universität Chicago, das meist aus der Erstoperation der Patientinnen stammt. "Auf diese Weise können wir in gewisser Weise in die Vergangenheit zurückblicken, da wir genau wissen, wie die Patientin auf eine Chemotherapie reagiert hat", sagt Dr. Fabian Coscia, Erstautor der Studie und ehemaliger Doktorand bei Matthias Mann und jetzt Postdoktorand in Kopenhagen. Mithilfe der massenspektroskopischen Analyse entdeckten die Forscher ein weitestgehend unbekanntes Protein namens CT45, das bei Langzeitüberlebenden stark erhöht war. Anschließende Tests im Labor haben den CT45-Befund bestätigt. Wurden Krebszellen ohne CT45 das Protein CT45 zugeführt, starben die Zellen deutlich schneller in der Chemotherapie.

CT45 ein Selbstmordgen?
Aber warum produziert der Krebs das Protein CT45, wenn es nach der Chemotherapie das eigene Abtöten fördert? "Die einfache Antwort darauf ist, dass der Krebs das noch nicht weiß, dass er mit einer Platin-basierten Chemotherapie behandelt wird", erklärt Coscia. „Die Proben, die wir mit Proteomik analysiert hatten, wurden vor der Chemotherapie entnommen. Eine Anpassung des Tumors an die Behandlung hat also noch nicht stattgefunden. Eine ähnliche Beobachtung machten wir in Laboruntersuchungen mit isolierten Krebszellen“.

Gesunde Zellen produzieren normalerweise nur Proteine, die auch für die speziellen Aufgaben in der Zelle gebraucht werden, zum Beispiel eierstocktypische Aufgaben. Obwohl die Bauanleitung für Proteine, die DNA, in allen Zellen gleich ist, werden nicht alle Proteine produziert. Die meisten Anleitungen sind biochemisch versiegelt, so das also nur auf das eierstockspezifische „Programm“, also DNA, zugegriffen wird. Sobald eine Zelle zur Krebszelle wird, kann diese Versieglung, die sogenannte Methylierung, allerdings verloren gehen und oftmals werden dann Proteine wie CT45 doch produziert. Aktuell gibt es erste Medikamente in klinischen Studien, die genau diese demethylierenden Eigenschaften haben. Unsere Experimente in der Zellkultur weisen darauf hin, dass durch diese sogenannten DNA-de-methylierenden Arzneimittel die Wirksamkeit der Chemotherapie verbessert werden kann. „Wir vermuten, dass CT45 hierbei eine tragende Rolle einnimmt da es nach der Gabe des Arzneimittels zu den am stärksten gebildeten Proteinen im Tumor gehört. Das gibt uns Hoffnung, dass Patientinnen, die das Protein nicht im Tumor haben, immer noch von einer Kombinationschemotherapie profitieren könnten", sagt Dr. Marion Curtis, Postdoktorandin im Lengyel-Labor und letzte Autorin der Studie.

Glück im Unglück
Die Forscher haben große Fortschritte beim Verständnis der CT45-Funktion gemacht. Dies gibt Hoffnung für die Entwicklung neuer und gezielterer Therapieansätze. "Wir haben Hinweise, dass die tumorspezifische Expression von CT45 das Immunsystem des Patienten stimuliert, um den Krebs zu bekämpfen, wie es bei einem Virus oder einer bakteriell infizierten Zelle der Fall wäre. Unser langfristiges Ziel ist es, auf der Grundlage dieser spannenden neuen Erkenntnisse neue Wege zur Verbesserung der Behandlungsergebnisse zu finden", fasst Prof. Lengyel zusammen.

Originalpublikation
F. Coscia, E. Lengyel, J. Duraiswamy, B. Ashcroft, M. Bassani-Sternberg, M. Wierer, A. Johnson, K. Wroblewski, A. Montag, S. D. Yamada, B. López-Méndez, J. Nilsson, A. Mund, M. Mann, and M. Curtis: Multi-level proteomics identifies CT45 as a chemosensitivity mediator and immunotherapy target in ovarian cancer, Cell, September 2018