Regulation der Stress-aktivierten Proteinkinasen durch den gentoxischen Benzo[a]pyren-Metaboliten BPDE

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind ubiquitäre Verschmutzungen der Umwelt und entstehen während der unvollständigen Verbrennung organischen Materials wie Holz, Kohle und Erdöl. Werden diese chemisch nicht reaktiven PAK in den Körper aufgenommen, durchlaufen sie eine Reihe von enzymatischen Umsetzungen, die unter der Bezeichnung Fremdstoffmetabolismus zusammengefasst werden. Die chemische Umsetzung des PAK und Prokarzinogens Benzo[a]pyren (B[a]P) führt u.a. zur Bildung des reaktiven Metaboliten B[a]P-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid (BPDE). BPDE ist stark elektrophil und kann auf Grund dieser Eigenschaft an nukleophile Makromoleküle wie Proteine und DNA binden. Die Bildung von BPDE-DNA-Addukten resultiert in der Entstehung von Mutationen und kann zur Tumorbildung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Wirkung von BPDE als Modellsubstanz für gentoxische Agenzien auf intrazelluläre Signalkaskaden und die Konsequenzen der BPDE-Exposition bezüglich der Zellaktivität untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass BPDE-Behandlung von Mausfibroblasten eine intrazelluläre Signalkaskade induziert, welche zur Aktivierung der Stressaktivierten Proteinkinasen (SAPK) JNK und p38 führt. An dieser Signalkaskade sind Src-ähnliche Kinasen beteiligt. BPDE-Behandlung führt in den untersuchten Mausfibroblasten zur Induktion von DNA-Einzelstrangbrüchen, deren Auftreten zeitlich mit der SAPK-Aktivierung korreliert. Die BPDEinduzierten DNA-Strangbrüche sind die Folge der Entfernung dieser Läsionen aus dem Genom durch die Nukleotidexzisionsreparatur (NER). Erkannt werden BPDE-DNA-Addukte durch die NERProteine XPA und XPC (Xeroderma Pigmentosum Komplementationsgruppe A und C). Nach der Erkennung von BPDE-DNA-Addukten kommt es zur Rekrutierung von Nukleasen, welche die vorliegende Läsion und umliegende Nukleotide aus dem Genom entfernen. In XPA- und XPCdefizienten Mausfibroblasten induziert BPDE daher keine DNA-Strangbrüche. Jedoch ist nur in XPCdefizienten Zellen, aber nicht in XPA-defizienten Zellen, die SAPK-Aktivierung drastisch reduziert. Behandlung von Mausfibroblasten mit Benzo[c]phenanthren-3,4-Diol-1,2-Epoxid, einem PAK, dessen DNA-Addukte schlecht durch NER-Faktoren erkannt und repariert werden, führt zu keiner SAPKAktivierung. Die Aktivierung von p38 und JNK scheint demnach abhängig zu sein von der Erkennung des primären DNA-Schadens. Die XPC-abhängige SAPK-Aktivierung schützt die Zellen vor BPDEabhängiger Toxizität, da sowohl XPC- als auch p38-defiziente Mausfibroblasten eine höhere Sensitivität gegenüber BPDE zeigen als korrespondierende Wildtypzellen. Zusamenfassend konnte in dieser Arbeit ein neuer Signalweg beschrieben werden, in dem DNASchäden, verursacht durch BPDE, über die XPC-abhängige DNA-Schadenserkennung, die Aktivierung der SAPK induziert. Diese Aktivierung der SAPK schützt vor BPDE-induzierter Toxizität.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are ubiquitous environmental pollutants formed during incomplete combustion of organic material e.g. wood, coal and crude oil. Ingested into the human body these non reactive PAHs are enzymatically metabolised. These reactions are summarised as xenobiotic metabolism. The chemical transformation of the PAH and procarcinogen benzo[a]pyrene (B[a]P) results in the formation of the highly reactive metabolite B[a]P-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide (BPDE). BPDE is a strongly electrophilic compound and can therefore bind to nucleophilic macromolecules such as proteins and DNA. The formation of BPDE-DNA-adducts is able to cause mutations and can therefore result in tumor formation. In this PhD thesis BPDE serves as a model compound for genotoxic agents and their effects on intracellular signaling cascades and the consequences on the cellular survival. It could be shown that BPDE treatment of immortalised murine fibroblasts (NIH3T3) leads to the induction of intracellular signaling cascades in which the stress activated protein kinases (SAPKs) JNK and p38 are involved. Moreover src-like-kinases are involved in this signalling cascade. BPDE treatment of murine fibroblasts leads to induction of DNA single strand breaks which coincide with the activation of SAPKs. BPDE induced DNA strand breaks are the consequence of the removal of BPDE-DNA adducts by NER (nucleotide excision repair). The BPDE-DNA adducts are recognised by the NER proteins XPA and XPC (Xeroderma Pigmentosum complementation group A and C). After recognition of BPDE-DNA adducts the repair process leads to recruitment of nucleases which excise the lesion and adjacent nucleotides from the genome. Therefore in XPA- and XPC- deficient murine fibroblasts BPDE is not able to induce DNA strand breaks. However only XPC-, but not XPA-deficient cells show dramatically reduced BPDE induced SAPK activation. Treatment of murine fibroblasts with the PAH benzo[c]phenanthren-3,4-Diol-1,2-epoxide, whose DNA adducts are only weakly recognised and repaird by NER factors, does not induce significant SAPK activation. Therefore it seems that the induction of JNK and p38 by BPDE depends on the recognition of the primary BPDE induced DNA damage. The XPC dependent SAPK activation by BPDE protects the cell from BPDE induced toxicity as XPC- and p38-deficient cells show higher BPDE dependent sensitivity towards BPDE treatment. In summary, in this PhD thesis a new signaling cascade is identified in which SAPK activation by BPDE depends on the XPC-dependent recognition of BPDE induced DNA lesions. This SAPK activation protects against BPDE induced toxicity.