Relationship between head and neck cancer therapy and some genetic endpoints

Head and neck cancer (HNC) is the sixth most common human malignancy worldwide. The main forms of treatment for HNC are surgery, radiotherapy (RT) and chemotherapy (CT). However, the choice of therapy depends on the tumor staging and approaches, which are aimed at organ preservation. Because of systemic RT and CT genotoxicity, one of the important side effects is a secondary cancer that can result from the activity of radiation and antineoplastic drugs on healthy cells. Ionizing radiation can affect the DNA, causing single and double-strand breaks, DNA-protein crosslinks and oxidative damage. The severity of radiotoxicity can be directly associated with the radiation dosimetry and the dose-volume differences. Regarding CT, cisplatin is still the standard protocol for the treatment of squamous cell carcinoma, the most common cancer located in the oral cavity. However, simultaneous treatment with cisplatin, bleomycin and 5-fluorouracil or treatment with paclitaxel and cisplatin are also used. These drugs can interact with the DNA, causing DNA crosslinks, double and single-strand breaks and changes in gene expression. Currently, the late effects of therapy have become a recurring problem, mainly due to the increased survival of HNC patients. Herein, we present an update of the systemic activity of RT and CT for HNC, with a focus on their toxicogenetic and toxicogenomic effects.

DNA repair mechanisms protect our genome from carcinogenesis

Human cells are constantly exposed to DNA damage. Without repair, damage can result in genetic instability and eventually cancer. The strong association between the lack of DNA damage repair, mutations and cancer is dramatically demonstrated by a number of cancer-prone human syndromes, such as xeroderma pigmentosum (XP), ataxia-telangiectasia (AT) and Fanconi anemia (FA). This review focuses on the historical discoveries related with these three diseases and describes their impact on the understanding of DNA repair mechanisms and the causes of human cancer. As deficiencies in DNA repair are also often related with progeria symptoms, unrepaired damage and aging are somehow related. Several other pathologies associated with DNA repair defects, genetic instability and increased cancer risk are also discussed. In fact, studies with cells from these many syndromes have helped in understanding important levels of protection against cancer and aging, although little help has actually been conferred to the patients in terms of therapy. Finally, the recent advances in combined basic and translational research on DNA repair and chemotherapy are presented.

DNA fragmentation by gamma radiation and electron beams using atomic force microscopy

Double-stranded pBS plasmid DNA was irradiated with gamma rays at doses ranging from 1 to 12 kGy and electron beams from 1 to 10 kGy. Fragment-size distributions were determined by direct visualization, using atomic force microscopy with nanometer-resolution operating in non-tapping mode, combined with an improved methodology. The fragment distributions from irradiation with gamma rays revealed discrete-like patterns at all doses, suggesting that these patterns are modulated by the base pair composition of the plasmid. Irradiation with electron beams, at very high dose rates, generated continuous distributions of highly shattered DNA fragments, similar to results at much lower dose rates found in the literature. Altogether, these results indicate that AFM could supplement traditional methods for high-resolution measurements of radiation damage to DNA, while providing new and relevant information.

Variation in DNA repair gene XRCC3 affects susceptibility to astrocytomas and glioblastomas

The gene XRCC3 (X-ray cross complementing group 3) has the task of repairing damage that occurs when there is recombination between homologous chromosomes. Repair of recombination between homologous chromosomes plays an important role in maintaining genome integrity, although it is known that double-strand breaks are the main inducers of chromosomal aberrations. Changes in the XRCC3 protein lead to an increase in errors in chromosome segregation due to defects in centrosomes, resulting in aneuploidy and other chromosomal aberrations, such as small increases in telomeres. We examined XRCC3 Thr241Met polymorphism using PCR-RFLP in 80 astrocytoma and glioblastoma samples. The individuals of the control group (N = 100) were selected from the general population of the Sao Paulo State. Odds ratio and 95%CI were calculated using a logistic regression model. Patients who had the allele Met of the XRCC3 Thr241Met polymorphism had a significantly increased risk of tumor development (odds ratio = 3.13; 95% confidence interval = 1.50-6.50). There were no significant differences in overall survival of patients. We suggest that XRCC3 Thr241Met polymorphism is involved in susceptibility for developing astrocytomas and glioblastomas.

Relationship between B-Cell-specific moloney murine leukemia virus integration site 1 (BMI-1) and homologous recombination regulatory genes in invasive ductal breast carcinomas

B-cell-specific Moloney murine leukemia virus integration site 1 (Bmi-1) is a Polycomb group protein that is able to induce telomerase activity, enabling the immortalization of epithelial cells. Immortalized cells are more susceptible to double-strand breaks (DSB), which are subsequently repaired by homologous recombination (HR). BRCA1 is among the HR regulatory genes involved in the response to DNA damage associated with the RAD51 protein, which accumulates in DNA damage foci after signaling H2AX, another important marker of DNA damage. Topoisomerase III beta (topoIII beta) removes HR intermediates before chromosomal segregation, preventing damage to cellular DNA structure. In breast carcinomas positive for BMI-1 the role of proteins involved in HR remains to be investigated. The aim of this study was to evaluate the association between BMI-1 and homologous recombination proteins. Using tissue microarrays containing 239 cases of primary breast tumors, the expression of Bmi-1, BRCA-1, H2AX, Rad51, p53, Ki-67, topoIII beta, estrogen receptors (ER), progesterone receptors (PR), and HER-2 was analyzed by immunohistochemistry. We observed high Bmi-1 expression in 66 cases (27.6%). Immunohistochemical overexpression of BMI-1 was related to ER (p=0.004), PR (p<0.001), Ki-67 (p<0.001), p53 (p=0.003), BRCA1 (p=0.003), H2AX (p=0.024) and topoIII beta (p<0,001). Our results show a relationship between the expression of BMI-1 and HR regulatory genes, suggesting that Bmi-1 overexpression might be an important event in HR regulation. However, further studies are necessary to understand the mechanisms in which Bmi-1 could regulate HR pathways in invasive ductal breast carcinomas.

Fragmentation of extracellular DNA by long-term exposure to radiation from uranium in aquatic environments

Persistent harmful scenarios associated with disposal of radioactive waste, high-background radiation areas and severe nuclear accidents are of great concern regarding consequences to both human health and the environment. Of particular concern is the extracellular DNA in aquatic environments contaminated by radiological substances. Strand breaks induced by radiation promote decrease in the transformation efficiency for extracellular DNA. The focus of this study is the quantification of DNA damage following long-term exposure (over one year) to low doses of natural uranium (an alpha particle emitter) to simulate natural conditions, since nothing is known about alpha radiation induced damage to extracellular DNA. A high-resolution Atomic Force Microscope was used to evaluate DNA fragments. Double-stranded plasmid pBS as a model for extracellular DNA was exposed to different amounts of natural uranium. It was demonstrated that low concentrations of U in water (50 to 150 ppm) produce appreciable numbers of double strand breaks, scaling with the square of the average doses. The importance of these findings for environment monitoring of radiological pollution is addressed.

Translocation capture sequencing: A method for high throughput mapping of chromosomal rearrangements

Chromosomal translocations require formation and joining of DNA double strand breaks (DSBs). These events disrupt the integrity of the genome and are involved in producing leukemias, lymphomas and sarcomas. Translocations are frequent, clonal and recurrent in mature B cell lymphomas, which bear a particularly high DNA damage burden by virtue of activation-induced cytidine deaminase (AID) expression. Despite the ubiquity of genomic rearrangements, the forces that underlie their genesis are not well understood. Here, we provide a detailed description of a new method for studying these events, translocation capture sequencing (TC-Seq). TC-Seq provides the means to document chromosomal rearrangements genome-wide in primary cells, and to discover recombination hotspots. Demonstrating its effectiveness, we successfully estimate the frequency of c-myc/IgH translocations in primary B cells, and identify hotspots of AID-mediated recombination. Furthermore. TC-Seq can be adapted to generate genome-wide rearrangement maps in any cell type and under any condition. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Shape resonance spectrum of cytosine-guanine pairs.

Single and double strand breaks in DNA can be caused by low-energy electrons, the most abundant secondary products of the interaction of ionizing radiation to the biological matter. Attachment of these electrons to biomolecules lead to the formation of transient negative ions (TNIs) [1], often referred to as resonances, a process that may lead to significant vibrational excitation and dissociation. In the present study, we employ the parallel version [2] of the Schwinger Multichannel Method implemented with pseudopotentials [3] to obtain the shape resonance spectrum of cytosine-guanine (CG) pairs, with special attention to π* transient anion states. Recent experimental studies pointed out a quasi-continuum vibrational excitation spectrum for electron collisions against formic acid dimers [4], suggesting that electron attachment into π* valence orbitals could induce proton transfer in these dimers. In addition, our previous studies on the shape resonance spectra of the hydrogen-bonded complexes comprising formic acid and formamide units indicated interesting electron delocalization (localization) effects arising from the presence (absence) of inversion symmetry centers in the complexes [5]. In the present work, we extend the studies on hydrogen-bonded complexes to the CG pair, where localization of ¼¤ anions would be expected, based on the previous results. References [1]. B. Boudaïffa, P. Cloutier, D. Hunting, M. A. Huels, L. Sanche, Science 287, 1658 (2000). [2]. J. S. dos Santos, R. F. da Costa , M. T. do N. Varella, J. Chem. Phys. 136, 084307 (2012). [3]. M. H. F. Bettega, L. G. Ferreira, M. A. P. Lima, Phys. Rev. A 47, 1111 (1993). [4]. M. Allan, Phys. Rev. Lett. 98, 123201 (2007). [5]. T. C. Freitas, S. dA. Sanchez, M. T. do N. Varella, M. H. F. Bettega, Phys. Rev. A 84, 062714 (2011).

Combined low initial DNA damage and high radiation-induced apoptosis confers clinical resistance to long-term toxicity in breast cancer patients treated with high-dose radiotherapy

[EN] Background: Either higher levels of initial DNA damage or lower levels of radiation-induced apoptosis in peripheral blood lymphocytes have been associated to increased risk for develop late radiation-induced toxicity. It has been recently published that these two predictive tests are inversely related. The aim of the present study was to investigate the combined role of both tests in relation to clinical radiation-induced toxicity in a set of breast cancer patients treated with high dose hyperfractionated radical radiotherapy. Methods: Peripheral blood lymphocytes were taken from 26 consecutive patients with locally advanced breast carcinoma treated with high-dose hyperfractioned radical radiotherapy. Acute and late cutaneous and subcutaneous toxicity was evaluated using the Radiation Therapy Oncology Group morbidity scoring schema. The mean follow-up of survivors (n = 13) was 197.23 months. Radiosensitivity of lymphocytes was quantified as the initial number of DNA double-strand breaks induced per Gy and per DNA unit (200 Mbp). Radiation-induced apoptosis (RIA) at 1, 2 and 8 Gy was measured by flow cytometry using annexin V/propidium iodide. Results: Mean DSB/Gy/DNA unit obtained was 1.70 ± 0.83 (range 0.63-4.08; median, 1.46). Radiation-induced apoptosis increased with radiation dose (median 12.36, 17.79 and 24.83 for 1, 2, and 8 Gy respectively). We observed that those "expected resistant patients" (DSB values lower than 1.78 DSB/Gy per 200 Mbp and RIA values over 9.58, 14.40 or 24.83 for 1, 2 and 8 Gy respectively) were at low risk of suffer severe subcutaneous late toxicity (HR 0.223, 95%CI 0.073-0.678, P = 0.008; HR 0.206, 95%CI 0.063-0.677, P = 0.009; HR 0.239, 95%CI 0.062-0.929, P = 0.039, for RIA at 1, 2 and 8 Gy respectively) in multivariate analysis. Conclusions: A radiation-resistant profile is proposed, where those patients who presented lower levels of initial DNA damage and higher levels of radiation induced apoptosis were at low risk of suffer severe subcutaneous late toxicity after clinical treatment at high radiation doses in our series. However, due to the small sample size, other prospective studies with higher number of patients are needed to validate these results.

Radiation induced apoptosis and initial DNA damage are inversely related in locally advanced breast cancer patients

[EN] Background: DNA-damage assays, quantifying the initial number of DNA double-strand breaks induced by radiation, have been proposed as a predictive test for radiation-induced toxicity. Determination of radiation-induced apoptosis in peripheral blood lymphocytes by flow cytometry analysis has also been proposed as an approach for predicting normal tissue responses following radiotherapy. The aim of the present study was to explore the association between initial DNA damage, estimated by the number of double-strand breaks induced by a given radiation dose, and the radio-induced apoptosis rates observed. Methods: Peripheral blood lymphocytes were taken from 26 consecutive patients with locally advanced breast carcinoma. Radiosensitivity of lymphocytes was quantified as the initial number of DNA double-strand breaks induced per Gy and per DNA unit (200 Mbp). Radio-induced apoptosis at 1, 2 and 8 Gy was measured by flow cytometry using annexin V/propidium iodide. Results: Radiation-induced apoptosis increased in order to radiation dose and data fitted to a semi logarithmic mathematical model. A positive correlation was found among radio-induced apoptosis values at different radiation doses: 1, 2 and 8 Gy (p < 0.0001 in all cases). Mean DSB/Gy/DNA unit obtained was 1.70 ± 0.83 (range 0.63-4.08; median, 1.46). A statistically significant inverse correlation was found between initial damage to DNA and radio-induced apoptosis at 1 Gy (p = 0.034). A trend toward 2 Gy (p = 0.057) and 8 Gy (p = 0.067) was observed after 24 hours of incubation. Conclusions: An inverse association was observed for the first time between these variables, both considered as predictive factors to radiation toxicity.

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entstehung von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien sowie den zytotoxischen Auswirkungen, die DNA-Doppelstrangbrüche für die Säuger-Zelle haben. Im ersten Teil der Arbeit wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die am O6-Methylguanin (O6-MeG)-DNA-Schaden, hervorgerufen durch alkylierende Agenzien, ablaufen. Dabei konnte gezeigt werden, das O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase (MGMT) O6-MeG/C und O6-MeG/T in vitro mit gleicher Effizienz repariert und daß die Reparatur von O6-MeG nach dem ersten Zellzyklus protektive Auswirkung auf das zelluläre Überleben hat. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit stand die Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien in Mausfibroblasten und CHO-Zellen im Mittelpunkt. Mit Hilfe der Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Comet Assay) wurde gezeigt, daß alkylierende Substanzen und die durch Elektroporation in Zellen hineingebrachten Restriktionsenzyme PvuII und EcoRI DNA-Doppelstrangbrüche zu induzieren vermögen. Die Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach Elektroporation von PvuII war vom p53-Status der Zellen abhängig, da p53-defiziente Zellen im Gegensatz zu p53-profizienten Zellen höhere DNA-Doppelstrangbruchraten über einen längeren Zeitraum aufwiesen. Im dritten Teil wurden die physiologischen Auswirkungen einer Behandlung von Zellen mit Induktoren von DNA-Doppelstrangbrüchen untersucht. Es wurde gezeigt, daß Alkylanzien in Abhängigkeit vom Vorhandensein von MGMT Apoptose induzieren. Mit PvuII elektroporierte p53-knockout Mausfibroblasten zeigten infolgedessen und im Gegensatz zu p53-wildtyp Zellen hohe Apoptoseraten. Die Induktion der Apoptose nach Behandlung mit PvuII wie auch nach g-Bestrahlung ging einher mit einem Abfall der Proteinmenge des antiapoptotischen Bcl-2. Zusammengenommen weisen die Versuchsergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß nach Behandlung von Zellen mit O6-MeG-generierenden Agenzien wie auch nach g-Bestrahlung DNA-Doppelstrangbrüche das ultimative Signal darstellen können.

Untersuchungen zur Beeinflussung der Reparatur oxidativer DNA-Schäden durch Poly(ADP-Ribose)-Polymerase, AP-Endonuklease 1 und das Xeroderma pigmentosum A Protein

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung der Bedeutung der Poly(ADP-Ribose)-Polymerase 1 (PARP 1), der AP Endonuklease 1 (Ape 1) und des Xeroderma pigmentosum A (XPA) Proteins für die DNA-Reparatur in Säugerzellen.Zunächst wurde der Einfluss der PARP 1-Aktivität auf die Reparatur verschiedener DNA-Modifikationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen erstmalig, dass eine Hemmung der PARP-Aktivität nicht nur eine deutliche Verlangsamung der Reparatur von Einzelstrangbrüchen, sondern auch von oxidativen Purinmodifikationen und Pyrimidindimeren zur Folge hat. Interessanterweise erfolgte diese Verlangsamung der DNA-Reparatur nicht in Csb-defizienten Zellen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aktivierung der PARP 1 und das Csb-Protein zusammen an einem neuartigen Mechanismus beteiligt sind, der die globale Reparatur verschiedener DNA-Modifikationen beschleunigt.Weiterhin wurde die Bedeutung der Nukleotidexcisionsreparatur als back-up Reparatur von 8 Hydroxyguanin untersucht. Dazu wurden normale und XPA-defiziente Fibroblasten des Menschen mit einem hOgg1-anitsense Konstrukt transfiziert und dann in diesen Zellen die Reparaturkinetiken oxidativer Basenmodifikationen bestimmt. Dadurch konnte eine Beteiligung des XPA-Proteins an diesem Reparaturweg ausgeschlossen werden.Außerdem wurden die Auswirkungen einer AP Endonuklease-1-Überexpression in XRCC1-defizienten Zellen auf die Reparatur von Einzelstrangbrüchen untersucht. Die Reparatur der induzierten Einzelstrangbrüche war in XRCC1-defizienten Zellen erwartungsgemäß deutlich langsamer als in XRCC1-profizienten Zellen. Die Überexpression der AP Endonuklease 1 in XRCC1-defizienten Zellen führte zu einer teilweisen Beschleunigung der Einzelstrangbruchreparatur.

Processing of O 6 - methylguanine in mammalian cells

DNA methylating compounds are widely used as anti-cancer chemotherapeutics. The pharmaceutical critical DNA lesion induced by these drugs is O6-methylguanine (O6MeG). O6MeG is highly mutagenic and genotoxic, by triggering apoptosis. Despite the potency of O6MeG to induce cell death, the mechanism of O6MeG induced toxicity is still poorly understood. Comparing the response of mouse fibroblasts wild-type (wt) and deficient for ataxia telangiectasia mutant protein (ATM), a kinase responsible for both the recognition and the signalling of DNA double-strand breaks (DSBs), it was shown that ATM deficient cells are more sensitive to the methylating agents N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidine (MNNG), methyl methansulfonate (MMS) and the anti-cancer drug temozolomide, in both colony formation and apoptosis assays. This clearly shows that DSBs are involved in O6MeG toxicity. By inactivating the O6MeG repair enzyme O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) with the specific inhibitor O6-benzylguanine (O6BG), ATM wt and deficient cells became more sensitive to MNNG and MMS. The opposite effect was observed when over-expressing MGMT in ATM -/- cells. The results show that O6MeG is the critical DNA lesion causing death in ATM cells following MNNG treatment, and is partially responsible for the toxicity observed following MMS treatment. Furthermore, by inhibiting the ATM kinase activity with caffeine, it was shown that the resistance of wt cells to MNNG was due to the kinase activity of ATM, as wt cells underwent more apoptosis following methylating agent treatment in the presence of caffeine. Apoptosis and caspase-3 activation were late events, starting 48h after treatment. This lends support to the model where O6MeG lesions are converted into DSBs during replication. As ATM wt and deficient cells showed similar G2/M blockage and Chk1 activation following MNNG and MMS treatment, it was concluded that the protective effect of ATM is not due to cell cycle progression control. The hypersensitivity of ATM deficient cells was accompanied by their inability to activate the anti-apoptotic NFkB pathway. In a second part of this study, it was shown that the inflammatory cytokine IL-1 up-regulates the DNA repair gene apurinic endonuclease 2 (APEX2). Up-regulation of APEX2 occurred by transcriptional regulation as it was abrogated by actinomycin D. APEX2 mRNA accumulation was accompanied by increase in APEX2 protein level. IL-1 induced APEX2 expression as well as transfection of cells with APEX2 cDNA positively correlated with a decrease in apoptosis after treatment with genotoxic agents, particularly affecting cell death after H2O2. This indicates an involvement of APEX2 in the BER pathway in cells responding to IL-1.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA Schäden --- Ziel dieser Arbeit war es, adaptive Antworten der Zellen auf einen DNA Schädigung zu untersuchen. Hierzu wurden Experimente zur Reparatur oxidierter Basen (Substrate der Basen Exzisions Reparatur (BER)) oder von Pyrimidindimeren (Substrate der Nukleotid Exzisions Reparatur (NER)) nach einer Vorbehandlung mit DNA-schädigender Agenzien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl eine Vorbehandlung mit einer alkylierenden als auch mit einer oxidierenden Substanz zu einer adaptiven Erhöhung des zellulären Glutathionspiegels führte, die 16 h nach der Schädigung ihr Maximum erreichte. Jedoch waren die 8-oxoG Glykosylaseaktivitäten über einen Zeitraum von 18 h konstant. Diese Effekte waren unabhängig davon, ob Maus Embryofibroblasten, primäre oder p53 profiziente menschliche Zellen verwendet wurden. Die BER war ebenfalls in keiner der verschiedenen Zelllinien signifikant verbessert. Die adaptive Antwort bezüglich der Glutathionspiegel war also nicht mit einer entsprechenden Veränderung bei der DNA-Reparatur verbunden. Folglich ist die Reparatur von oxidativen DNA-Schäden durch eine vorausgehende Schädigung nicht induzierbar. Der zweite Teil der Untersuchungen zu der Reparatur beschäftigte sich mit der NER. Hierzu wurde die Reaktivierung eines mit UVB-Strahlung geschädigten Plasmids untersucht. Als Wirtszellen fungierten primäre menschliche Fibroblasten und Keratinozyten, die entweder mit UVB vorbehandelt oder ungeschädigt waren. Auch für die NER konnte keine signifikante Beschleunigung der Reparatur von Pyrimidindimeren durch eine Vorbehandlung festgestellt werden. Die Reaktivierung erfolgte ferner unabhängig vom p53-Status der Zellen, wie Versuche mit p53-siRNA zeigten. Neben der Prozessierung war die Generierung oxidativer DNA Schäden Gegenstand der Arbeit. Die verwendete Substanz Tirapazamin (TPZ) ist ein für hypoxische Zellen selektives, neues Zytostatikum und befindet sich momentan in Phase 2/3 der klinischen Prüfung. Ziel war es die von TPZ verursachten DNA Modifikationen zu charakterisieren, sowie die Toxizität und Genotoxizität zu untersuchen. Da es Hinweise auf eine Aktivierung von TPZ über eine Oxidoreduktase (OR) gab, wurden die Experimente in Wildtyp und hOR überexprimierenden Zellen durchgeführt. Die Quantifizierung der verursachten DNA-Modifikationen zeigte, dass der von TPZ verursachte Schaden in Zellen mit hOR erhöht war. Das erhaltene Schadensprofil der durch TPZ verursachten DNA-Modifikationen war dem Schadensprofil von durch Gamma-Strahlung intrazellulär verursachten Hydroxylradikalen sehr ähnlich. Da es nach der Aktivierung von TPZ durch eine OR zu einer Abspaltung von Hydroxylradikalen kommt, bestätigte dies den vermuteten Mechanismus. Weitere Untersuchungen mit t-Butanol, einem Hydroxylradikal Fänger, ergaben eine verminderte DNA-Schädigung, was ebenfalls für eine DNA-Schädigung durch Hydroxylradikale spricht. Untersuchungen zur Mutagenität zeigten das die Mutationsrate in Zellen mit hOR um das 4 fache erhöht ist. Erstaunlich war jedoch, dass der im gleichen Ausmaß von Gamma-Strahlung verursachte DNA-Schaden für die beobachtete Toxizität dieser verantwortlich war, während bei TPZ unter den gleichen Bedingungen keine Toxizität vorlag. Erklärt werden könnte die erhöhte Toxizität und Mutagenität durch so genannte geclusterte DNA-Schäden, die von Gamma-Strahlen, nicht jedoch von TPZ gebildet werden. Nach einer verlängerten Inkubation wurde sowohl für die Toxizität als auch für die Genotoxizität erneut ein verstärkender Effekt durch die OR bestätigt. Überraschend war weiterhin die von der OR unabhängige Generierung von Doppelstrangbrüchen, für die demnach ein grundsätzlich anderer Mechanismus, wie zum Beispiel eine direkte Interaktion mit der Topoisomerase II, angenommen werden muss.

Untersuchungen zum Mechanismus der Zytotoxizität von alkylierenden Agenzien in malignen Melanomzellen

Maligne Melanome sind gegenüber Chemotherapeutika relativ resistent. Das methylierende Alkylanz Temozolomid sowie das chlorethylierende und DNA-Interstrand Crosslink (ICL) bildende Alkylanz Fotemustin kommen bei der Behandlung des malignen Melanoms als Mittel erster Wahl zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit konnte das erste Mal nachgewiesen werden, dass die zytotoxische Wirkung von Temozolomid und Fotemustin in Melanomzellen durch Apoptose vermittelt wird. Unter Verwendung klinisch relevanter Dosen der beiden Alkylantien konnte die Induktion von Apoptose durch vier unabhängige Methoden (Bestimmung der SubG1-Fraktion und der Apoptose- / Nekrose-Frequenz, Aktivierung der Effektorcaspasen-3 und -7 sowie Spaltung von PARP-1) nachgewiesen werden. Die Alkylierungen an der O6-Position des Guanins, welche durch beide Agenzien induziert werden, sind auch in Melanomzellen die wichtigsten Zytotoxizität-bewirkenden Läsionen in der DNA, und die O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) ist folglich ein herausragender Resistenzmarker. Eine der verwendeten Zelllinien (D05) exprimierte p53-Wildtypprotein. Diese Zelllinie war resistenter als alle anderen Zelllinien gegenüber Temozolomid und Fotemustin. Dies weist darauf hin, dass p53 nicht die Apoptoseinduktion in Melanomzellen verstärkt. Die Prozessierung des O6MeG erfolgt über die Mismatch-Reparatur (MMR) unter Generierung von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs). Die Untersuchung der durch Temozolomid induzierten DSBs, nachgewiesen durch gammaH2AX-Induktion, korrelierte direkt mit der apoptotischen Antwort von Melanomzelllinien und DSBs können somit als eine entscheidende apoptoseauslösende Größe angesehen werden. Eine Resistenz gegenüber dem methylierenden Temozolomid in der Zelllinie MZ7 konnte auf einen Defekt in der MMR-Schadenserkennung auf der Ebene des MutSalpha-Komplexes zurückgeführt werden. Dieser Defekt hatte keinen Einfluss auf die Fotemustin-vermittelte Apoptoseinduktion. Neben MGMT konnte somit die MMR als Resistenzfaktor gegenüber methylierenden Agenzien in Melanomen identifiziert werden. Die Fotemustin-induzierte Apoptose wurde in Melanomzelllinien im Detail untersucht. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Fotemustin-bedingte ICLs in Zellen einen G2/M-Arrest im Behandlungszyklus induzieren. Wie anhand G1-arretierter Zellen nachgewiesen werden konnte, war das Durchlaufen der DNA-Replikation vor Erreichen des Arrests für die Induktion der Apoptose notwendig. Die Prozessierung von ICLs ist im Vergleich zu Methylierungen der DNA deutlich komplexer. Dies könnte erklären, warum in Melanomzellen die durch gammaH2AX-Induktion repräsentierten DSBs nicht mit der Sensitivität der einzelnen Zelllinien korreliert. Die Untersuchung unterschiedlich sensitiver Zelllinien zeigte ein vergleichbares Schadensniveau an ICLs und eine ebenso vergleichbare initiale Prozessierung derselben unter Generierung von DSBs. Die Prozessierung dieser sekundären Läsionen, welche anhand der Abnahme von gammaH2AX-Foci untersucht wurde, war hingegen in der sensitiveren Melanomzelllinie deutlich weniger effektiv. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass eine uneffektive Prozessierung der sekundären Läsionen einhergeht mit einer verstärkten und länger anhaltenden Aktivierung der in der DSB-Detektion beteiligten Kinase ATM und der Checkpoint Kinase 1. Es wäre daher denkbar, dass eine verstärkte Aktivität dieser Kinasen proapoptotische Signale vermittelt. Unterschiede in der Prozessierung der sekundären Läsionen könnten somit ein wichtiger Marker der ICL-induzierten Apoptose darstellen. Des weitern konnte nachgewiesen werden, dass nach Fotemustingabe die mitochondrial-vermittelte Apoptose einen effektiven Exekutionsweg in Melanomen darstellt. Während Cytochrom C-Freigabe, Bcl-2-Abnahme an den Mitochondrien, Bax-Rekrutierung und Caspase-9 Aktivität nachgewiesen werden konnten, wurden keine Hinweise auf eine Fas-Rezeptor-vermittelte Apoptose gefunden. Die Unfähigkeit, Rezeptor-vermittelte Apoptose zu unterlaufen, könnte die Bedeutungslosigkeit des p53-Gens in Melanomen begründen, da gerade dieser Weg in der Alkylantien-induzierten Apoptose in anderen Zellsystemen eine große Relevanz besitzt. Bei der Suche nach einem alternativen proapoptotischen Signalweg konnten Hinweise für die Beteiligung des Rb/E2F-1-Wegs, welcher über p73 agiert, in einer p53-mutierten Melanomzelllinie gefunden werden. Einen Einfluss der Proteine Survivin und XIAP als Resistenzfaktoren auf die Fotemustin-induzierte Apoptose wurde hingegen nicht nachgewiesen.