Rolle von c-Fos in der Regulation der DNA-Reparatur und der Protektion gegenüber Genotoxinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Genotoxin-induzierte DNA-Schäden können zu Mutationen und damit zur Tumorentstehung führen. Dem entgegen wirken DNA-Reparatursysteme, welche nach Exposition von Zellen mit diesen Genotoxinen transkriptionell aktiviert werden können. Hierbei gehören zu den Genotoxinen auf der einen Seite Umweltgenotoxine, welche Tumore auslösen und auf der anderen Seite Zytostatika, die zur Behandlung von Tumoren eingesetzt werden. In Rahmen des Projektes sollte die Rolle von p53 und AP-1 bei der Induktion von DNA-Reparaturgenen und der Zusammenhang zwischen Induktion und Protektion gegenüber Genotoxinen untersucht werden. Im Rahmen unserer Arbeiten konnten wir zeigen, dass die AP-1 Komponente c-Fos in menschlichen Fibroblasten nach Bestrahlung mit UVC-Licht über die transkriptionelle Induktion der Reparaturgene xpf und xpg, sowie der korrespondierenden Proteine, zu einer Steigerung der DNA-Reparaturkapazität führt und eine adaptive Antwort hervorruft. Hierbei werden die Zellen durch eine Behandlung mit einer sub-toxischen UVC Dosis gegenüber einer nachgeschalteten toxischen UVC Dosis geschützt. Eine p53 und AP-1 abhängige Induktion von NER-Genen (ddb2, xpc xpf, xpg) konnte auch nach Exposition von humanen Fibroblasten mit UVB und, dem im Zigarettenrauch gebildeten Umwelt-Genotoxin Benzo[a]pyren, sowie dessen aktiven Metaboliten Benzo[a]pyren-7,8-dihydrodiol- 9,10-epoxid (BPDE) nachgewiesen werden. In allen Fällen führte diese Induktion zu einer Steigerung der NER-Aktivität und zu einer adaptiven Antwort. Die Ergebnisse bezüglich der p53/AP-1 vermittelten Induktion von NER-Genen und der Auslösung einer adaptiven Antwort nach UVB und BPDE- Exposition werden zurzeit zusammengestellt und zur Publikation vorbereitet. Weiterhin konnten wir zeigen, dass es nach UVC und BPDE Exposition zur c-Fos abhängigen Induktion eines weiteren DNA-Reparaturgens, der Exonuklease TREX1 in murinen und menschlichen Fibroblasten kommt. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten wir des Weiteren zeigen, dass TREX1 nach UVC-Bestrahlung in den Nukleus transloziert, sowie, dass TREX1-defiziente Zellen einen Defekt in der Erholung vom UVC-induzierten Replikationsblock haben und sich durch erhöhte Sensitivität gegenüber UVC-Licht und BPDE auszeichnen. Im Rahmen des Antrages sollte zusätzlich untersucht werden, welche Rolle p53 und c-Fos in menschlichen Zellen bei der Resistenzentwicklung gegenüber Zytostatika spielen, und, ob hierbei auch die Induktion von DNA-Reparaturgenen wie xpf und xpg beteiligt ist. Zwei Gruppen von Zytostatika, welche DNA-Schäden generieren, die über NER prozessiert werden, sind die chlorethylierenden Agenzien wie ACNU und Fotemustin, sowie Platin-Verbindungen wie Cisplatin und Oxaliplatin. Bei der Untersuchung einer potentiellen, c-Fos/AP-1 vermittelten Induktion von xpf und xpg durch diese Agenzien, zeigte sich jedoch, dass es bei der Behandlung von Glioblastomzellen mit ACNU, der Behandlung von Blasentumorzellen mit Cisplatin, der Behandlung von Colorectalkarzinomzellen mit Oxaliplatin, sowie der Behandlung von Melanomzellen mit Fotemustin zwar zu einer Induktion von c-Fos und zu einer Steigerung der AP-1 Bindungsaktivität, jedoch zu keiner signifikanten Induktion der NER-Gene xpf und xpg kam. Daher ist zu schlussfolgern, dass eine c-Fos/AP-1 vermittelte Verstärkung der NER-Aktivität nicht bei der Protektion von Tumorzellen gegenüber diesen Agenzien beteiligt ist. Im Gegensatz hierzu konnte gezeigt werden, dass die AP-1 vermittelte Induktion von trex1, sowie die p53 vermittelte Induktion von polH zu einer verstärkten Resistenz gegenüber Zytostatika in Tumorzellen führt. So wird trex1 auch in menschlichen Glioblastomzellen nach Behandlung mit ACNU und dem Topoisomerase I Inhibitor Topotecan, sowie in Melanomzellen nach Behandlung mit Fotemustin induziert. Im Unterschied zur UVC und BPDE-vermittelten Induktion von trex1 in Mausfibroblasten, spielt in menschlichen Zellen nicht c-Fos sondern c-Jun die Hauptrolle. Auch in den untersuchten Tumorzellen konnte gezeigt werden, dass TREX1 Resistenz gegenüber der Zytostatikabehandlung vermittelt. Im Rahmen der Untersuchung der Regulation von DNA-Reparaturgenen nach Zytostatikabehandlung konnte des Weiteren die Induktion der Transläsionspolymerase eta (polH, xpv) beobachtet werden, welche über p53 vermittelt wird. Die Induktion von polH, sowie des korrespondierenden Proteins konnte in Melanomzellen nach der Behandlung mit Fotemustin, in Glioblastomzellen nach CCNU-Behandlung, sowie in MCF7-Brustkarzinomzellen nach Behandlung mit Melphalan nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten wir erstmals eine direkte Beteiligung von PolH bei der Reparatur der Fotemustin-induzierten DNA Schäden nachweisen sowie zeigen, dass PolH Tumorzellen vor der zytotoxischen Wirkung der Zytostatika schützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010). Three prime exonuclease I (TREX1) is Fos/AP-1 regulated by genotoxic stress and protects against ultraviolet light and benzo(a)pyrene-induced DNA damage. Nucleic acids research 38, 6418- 6432
Christmann, M., Tomicic, M.T., Aasland, D., Berdelle, N., and Kaina, B.
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(2011). Delayed c-Fos activation in human cells triggers XPF induction and an adaptive response to UVC-induced DNA damage and cytotoxicity. Cell Mol Life Sci 68, 1785-1798
Tomicic, M.T., Reischmann, P., Rasenberger, B., Meise, R., Kaina, B., and Christmann, M.
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(2013) Transcriptional regulation of human DNA repair genes following genotoxic stress: trigger mechanisms, inducible responses and genotoxic adaptation. Nucleic Acids Res. 41, 8403-8420
Christmann, M.T. and Kaina, B.
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(2013). Human three prime exonuclease TREX1 is induced by genotoxic stress and involved in protection of glioma and melanoma cells to anticancer drugs. Biochimica et biophysica acta 1833, 1832-1843
Tomicic, M.T., Aasland, D., Nikolova, T., Kaina, B., and Christmann, M.
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(2014). Translesion polymerase eta is upregulated by cancer therapeutics and confers anticancer drug resistance. Cancer research 74, 5585-5596
Tomicic, M.T., Aasland, D., Naumann, S.C., Meise, R., Barckhausen, C., Kaina, B., and Christmann, M.
