Wie eine normale Zelle, die mitunter Mutationen in Onkogenen oder Tumorsuppressorgenen trägt, in die Malignität übergeht und einen Tumor hervorbringt, bleibt eine heftig umstrittene Frage. Zwar können zahlreiche Zellen onkogene Mutationen beherbergen, doch nur wenige entwickeln letztlich einen Tumor – auf unvorhersehbare und seltene Weise. Es wurden mehrere Theorien vorgeschlagen, um diesen Übergang zu erklären, aber keine konnte in vivo auf Ebene der Einzelzelle geprüft werden: Die maligne Transformation einer isolierten Zelle ist ein zu unwahrscheinliches und zu wenig vorhersehbares Ereignis, um statistisch aussagekräftig verfolgt werden zu können. Diese Schwierigkeit verhindert die Charakterisierung des Zustands der Ursprungszelle und ihrer Umgebung zu Beginn der Tumorgenese.
Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelte das Team einen optogenetischen Ansatz, der es ermöglicht, die Expression eines Onkogens in einer einzelnen Zelle des Gehirns eines lebenden Zebrafisches zu aktivieren. Das Modell beruht auf transgenen Linien, bei denen die onkogene Form von KRAS (KRASG12V) gezielt durch Photoaktivierung mittels einer lokalisierten Beleuchtung, die eine Region von etwa 80 µm Durchmesser definiert, ausgelöst werden kann. In der Hälfte der Fälle wurde auf diese Weise eine einzige Zelle aktiviert. Mit dieser dauerhaften Aktivierung des Onkogens verbanden die Autoren die transiente Ko-Aktivierung eines Reprogrammierungsfaktors – VENTX, NANOG oder OCT4 –, also Gene, die mit der Embryonalentwicklung und der Pluripotenz in Zusammenhang stehen und deren abnorme Reaktivierung aus späten Stadien von Krebserkrankungen bekannt ist, in denen sie den Zellen Eigenschaften von Krebsstammzellen verleihen. Die Rolle dieser „epigenetischen Motoren" in den frühen Phasen der malignen Transformation blieb jedoch unbekannt.
Die Ergebnisse zeigen eine ausgeprägte Synergie zwischen diesen beiden Faktoren. KRASG12V, der häufigste onkogene Treiber mehrerer menschlicher Krebserkrankungen, führt nur selten zu einer Transformation, wenn er allein aktiviert wird; dasselbe gilt für den isolierten Reprogrammierungsfaktor. Ihre Kombination hingegen lässt die einzelne Zelle einen deterministischen malignen Übergang vollziehen und erhöht die Wahrscheinlichkeit der Karzinogenese um mehrere Größenordnungen. Unter diesen Bedingungen entwickelt sich ausgehend von der Ursprungszelle innerhalb von sechs Tagen robust und reproduzierbar ein vollständig ausgebildeter Tumor. Die begleitenden Analysen – Quantifizierung der Genexpression, Nachweis der ERK-Signaltransduktion und Zelltransplantationsexperimente – ergänzen die Charakterisierung dieses Prozesses.
Der kontrollierte und reproduzierbare Charakter dieser Transformation stützt die „Grundzustandstheorie der Krebsinitiation", der zufolge sich die ersten malignen Zellen vor dem Tumorwachstum über kurze Distanzen ausbreiten. Indem er eine gezielte, spezifische und reproduzierbare maligne Transformation auf Einzelzellebene in vivo ermöglicht, eröffnet dieser Ansatz den Weg zu einer quantitativen Untersuchung – Verfolgung und Charakterisierung – der initialen Schritte der Karzinogenese.