Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Kei-ichi Takata vom Center for Genomic Integrity (CGI) im Institute for Basic Science (IBS) hat eine neue Art von DNA-Reparaturmechanismus entdeckt, den Krebszellen verwenden, um sich von der nächsten Generation zu erholen Krebs Strahlentherapie.
Die Therapie mit ionisierender Strahlung (IR) wird häufig bei der Behandlung von Krebs eingesetzt und es wird angenommen, dass sie Krebszellen zerstört, indem sie DNA-Brüche hervorruft. Die neueste Art der Strahlentherapie nutzt die von einem Teilchenbeschleuniger erzeugte Strahlung, die aus geladenen schweren Teilchen wie Kohlenstoffionen besteht. Der Teilchenbeschleuniger beschleunigt die Kohlenstoffionen auf etwa 70 % der Lichtgeschwindigkeit, die mit der DNA von Krebszellen kollidieren und diese zerstören.
Diese Ionen haben einen hohen linearen Energietransfer (LET) und setzen den größten Teil ihrer Energie innerhalb eines kurzen Bereichs frei, der als Bragg-Peak bezeichnet wird. Die Krebs-Strahlentherapie der nächsten Generation arbeitet, indem sie den Bragg-Peak auf den Tumor fokussiert, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass die Schädigung des umgebenden normalen Gewebes im Vergleich zu der üblicherweise verwendeten niedrigen LET-Strahlung wie Gamma- oder Röntgenstrahlen minimiert wird.
Nur eine Handvoll medizinischer Einrichtungen auf der Welt sind derzeit in der Lage, diese Strahlentherapie der nächsten Generation durchzuführen, obwohl man hofft, dass in Zukunft weitere eingesetzt werden.
Durch Schwerionenbeschuss (hohe LET-Strahlung) erzeugte DNA-Läsionen sind „komplexer“ als solche, die durch herkömmliche Strahlentherapie (niedrige LET-Strahlung) induziert werden. Ersteres trägt zusätzliche DNA-Schäden wie die Apurin-/Apyrimidin- (AP) Stelle und Thyminglykol (Tg) in unmittelbarer Nähe der Doppelstrangbruchstellen (DSB), die weitaus schwieriger zu reparieren sind als gewöhnliche DNA-Schäden. Infolgedessen ist die fortgeschrittene Therapie pro Dosiseinheit zytotoxischer als eine niedrige LET-Strahlung.
Dies macht die Strahlentherapie der nächsten Generation zu einer wirksamen Waffe gegen Krebszellen. Es wurde jedoch noch nicht vollständig untersucht, wie diese hohen LET-induzierten Läsionen in Säugetierzellen verarbeitet werden, da DNA-Schäden durch Schwerionenbeschuss ein Prozess sind, der in der Natur selten vorkommt (z. B. höhere Wahrscheinlichkeit im Weltraum). Die Aufklärung des komplexen DSB-Reparaturmechanismus ist ein attraktives Forschungsinteresse, da die Blockierung des Reparaturmechanismus der Krebszellen dazu führen kann, dass die neue Strahlentherapie noch effektiver wird.
Für Forschungszwecke besuchte das IBS-Team das QST-Krankenhaus in Japan, um das Synchrotron namens HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) zu verwenden, das in der Lage ist, hohe LET-Strahlung zu erzeugen. Ein ähnliches Synchrotron wurde an der Yonsei-Universität installiert, und ein weiteres soll 2027 am Seoul National University Hospital in Kijang installiert werden. Das Forschungsteam von Dr. Takata beabsichtigt, beim Aufbau eines Grundlagenforschungsprogramms mit diesen Synchrotrons in Südkorea zu helfen, um Schwerionen zu verbessern Therapie bei Krebspatienten.
Das Forschungsteam von Dr. Takata entdeckte, dass die DNA-Polymerase θ (POLQ) ein wichtiger Faktor bei der Reparatur komplexer DSBs ist, wie sie beispielsweise durch Schwerionenbeschuss verursacht werden. POLQ ist eine einzigartige DNA-Polymerase, die in der Lage ist, eine durch Mikrohomologie vermittelte Endverbindung sowie eine Translesionssynthese (TLS) über eine abasische (AP) Stelle und Thyminglykol (Tg) hinweg durchzuführen. Es wurde festgestellt, dass diese TLS-Aktivität der biologisch signifikante Faktor ist, der eine komplexe DSB-Reparatur ermöglicht.
Sung Yubin, einer der gemeinsamen Erstautoren, erklärt: „Wir haben Beweise dafür geliefert, dass die TLS-Aktivität von POLQ eine entscheidende Rolle bei der Reparatur von hiLET-DSBs spielt.
Die Forscher entdeckten auch, dass die Verhinderung der Expression von POLQ in Krebszellen ihre Anfälligkeit für die neue Strahlenbehandlung stark erhöhte.
„Wir haben gezeigt, dass die genetische Störung von POLQ zu einer Zunahme von Chromatidbrüchen und einer erhöhten zellulären Empfindlichkeit nach der Behandlung mit hoher LET-Strahlung führt“, erklärt Herr Yi Geunil, ein weiterer gemeinsamer Erstautor.
Das Forschungsteam verwendete biochemische Techniken und Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET), um herauszufinden, dass das POLQ-Protein synthetische DNA-Moleküle, die komplexe DSB nachahmen, effektiv reparieren kann. Das bedeutet, dass POLQ ein möglicher neuer Angriffspunkt für Medikamente sein könnte, um die Anfälligkeit der Krebszellen gegenüber komplexen Strahlenschäden zu erhöhen.
Das Einzelmolekül-FRET-Assaysystem zur Überwachung von POLQ-vermitteltem Annealing und DNA-Extension wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Kim Hajin und Mr. Kim Chanwoo am UNIST entwickelt. Frau Ra Jae Sun von IBS-CGI analysierte Chromatidbrüche, die durch hohe LET-Strahlung induziert wurden. Prof. Fujimori Akira und Mr. Hirakawa Hirokazu vom QST sowie Prof. Kato Takamitsu von der Colorado State University halfen bei der Durchführung der Experimente mit HIMAC.
Prof. Takata bemerkt: „Wir sind stolz darauf, die Veröffentlichung unserer Veröffentlichung bekannt zu geben, die nur durch die großartige Teamarbeit aller Beteiligten möglich war. Unsere Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Mechanismen, wie hiLET-DSB in Säugetierzellen repariert wird, und legen dies weiter nahe die Hemmung von POLQ kann die Wirksamkeit der Schwerionen-Strahlentherapie verstärken.“
Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Nukleinsäureforschung am 20. Februar 2023.
Mehr Informationen:
Geunil Yi et al, DNA-Polymerase θ-vermittelte Reparatur von strahlungsinduzierten komplexen DNA-Doppelstrangbrüchen mit hoher LET, Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkad076