Einfluss von oxidativem Stress auf die DNA-Reparatur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) entstehen als Nebenprodukte des Sauerstoffmetabolismus in allen lebenden Zellen. Sie führen unter anderem zur Bildung von promutagenen DNA-Basenmodifikationen wie 8-Oxo-7,8-dihydroguanin (8-oxoG) und damit genetischer Instabilität. Die schnelle und fehlerlose Beseitigung dieser DNA-Modifikationen durch Enzyme der Basenexzisionsrepratur (BER) wie der Oxoguanin-DNA-Glykosylase (OGG1), die 8-oxoG erkennt und aus der DNA entfernt, wird deshalb oft als essentielle "Housekeeping"-Funktion aller Zellen angesehen. Unsere Ergebnisse aus Vorarbeiten, dass die Reparatur oxidative gebildeter Purinmodifikationen ausgerechnet unter Bedingungen von oxidativem Stress verlangsamt ist, waren daher sehr unerwartet. Ziel des Projektes war es deshalb, die Ursachen und Auswirkungen der verlangsamten Reparatur oxidativer DNA-Basenmodifikationen zu klären. Dazu wurde die Reparatur unter verschiedenen Stressbedingungen genauer untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Hypoxie (1% O2) in kultivierten Säugerzellen (MEFs) keinen messbaren Einfluss auf die Bildung oder Reparatur oxidativer DNA-Modifikationen hat. Eine Hyperthermie-Vorbehandlung von Zellen (4 h bei 42°C) führt dagegen zwar zu einer verlangsamten Reparatur anschließend bei 37°C induzierter DNA-Läsionen; dies ist jedoch, wie die Untersuchungen zeigten, auf einen von ROS-Bildung und oxidativem Stress unabhängigem beschleunigten proteasomalen Abbau von OGG1 unter Hyperthermie zurückzuführen. Unter nitrosativem Stress (Exposition gegenüber NO) wurde dagegen schon unter milden, nicht-toxischen Bedingungen eine ausgeprägte Hemmung der OGG1-vermittelten Reparatur beobachtet. Interessanterweise ist die Hemmung bei einer Variante des humanen OGG1 Proteins besonders ausgeprägt, in der in Position 326 Serin gegen Cystein ausgetauscht ist und die in der kaukasischen Bevölkerung häufig vorkommt. Als Folge dieser Reparaturhemmung konnte eine erhöhte Mikrokernbildung nach Generierung von 8-oxoG nachgewiesen werden. Als ein pharmakologisch interessanter Fremdstoff, der potentiell oxidativen Stress induziert, wurde das Phytoalexin Resveratrol untersucht. In kultivierten Zellen (HeLa, AS52) führte die Behandlung mit Resveratrol zu einer verlangsamten Reparatur oxidativer DNA-Basenmodifikationen und stark erhöhten Glutathionspiegeln, die als adaptive Antwort auf oxidativen Stress angesehen werden können. Eine - eventuell adaptive - Hochregulation antioxidativer Enzyme wie Superoxid-Dismutase und Hämoxygenase wurde auch in Lebern von Mäusen beobachtet, die Resveratrol im Futter erhielten. Sowohl die basalen Spiegel oxidativer DNA-Modifikationen als auch die "spontanen" Mutationsfrequenzen wurden durch die Resveratrol-Behandlung deutlich reduziert. Hinsichtlich der DNA-Schädigung scheint die antioxidative Antwort In vivo also potentiell adverse Effekte zu überkompensieren. Untersuchungen an primären humanen Lymphozyten, mit denen ursprünglich der vermutete Einfluss chronisch-entzündlicher Erkrankungen (und damit verbundenem oxidativen Stress) auf die DNA-Reparatur gezeigt werden sollte, führten zu dem unerwarteten Ergebnis, dass diese Zellen oxidativ induzierte Basenmodifikationen wie 8-oxoG schon unter ganz normalen Bedingungen nicht reparieren, obwohl eine basale Expression von OGG1 nachweisbar ist. Weitere Untersuchungen zeigten, dass eine Aktivierung der Lymphozyten mittels Phytohämagglutinin über MAP-Kinasen und den Transkriptionsfaktor NF-YA zu einer Induktion von OGG1 und einer "normalen" Reparaturgeschwindigkeit für 8-oxoG führt, die der durch die Aktivierung der Lymphozyten gleichfalls bewirkten Proliferation zeitlich vorausgeht und somit der Entstehung von Mutationen entgegenwirkt. Die beschriebenen Beobachtungen an primären Lymphozyten zeigen sehr klar, dass die Reparatur von oxidativen DNA-Basenmodifikationen wie 8-oxoG keine "Housekeeping"-Funktion aller Zellen darstellt. Der physiologische Sinn und mögliche Folgen der Regulation von OGG1 und der Reparaturfähigkeit in den Immunzellen bedarf weitere Untersuchungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Spontaneous oxidative mutagenesis in Csbm/mOgg1‑/‑ mice is attenuated by the dietary antioxidant resveratrol. Carcinogenesis., 32, 80-85 (2011)
Fusser, M., Nesse, G.J., Khobta, A., Li H., Klungland, A., and Epe, B.
- Influences of histone deacetylase inhibitors and resveratrol on DNA repair and chromatin compaction. Mutagenesis, 28, 569-576 (2013)
Keuser, B., Khobta, A., Gallé, K., Anderhub, S., Schulz, I., Pauly,K. and Epe, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/mutage/get034) - Rapid inactivation and proteasome-mediated degradation of OGG1 contribute to the synergistic effect of hyperthermia on genotoxic treatments DNA Repair 12, 227-237 (2013)
Fantini, D., Moritz, E., Amouroux, R., Auvré, F., Campalans, A., Epe, B., Bravard, A. and Radicella, J.P.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2012.12.006) - Repair of oxidatively generated DNA damage in Cockayne syndrome. Mech. Ageing Dev. 134, 253-260 (2013)
Khobta A., and Epe, B.
- hOGG1- Cys326 variant cells are hypersensitive to DNA repair inhibition by nitric oxide, Carcinogenesis, 35, 1426-1433 (2014)
Moritz, E., Pauly, K.,. Bravard, A., Hall, J., Radicella, J.P. and Epe, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/carcin/bgu066) - (2014) The repair of oxidized purines in the DNA of human lymphocytes requires an activation involving NF-YA-mediated upregulation of OGG1. DNA Repair, Volume 25, January 2015, Pages 1-8
von der Lippen, C., Sahu, S., Seifermann, M., Tiwari, V.K. and Epe, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2014.10.008)
