Neue Erkenntnisse zur direkten Aktivierung der ATM-Signalisierung durch DNA-Einzelstrangbrüche

Neue Forschungsergebnisse eines Teams aus Genomforschern und Experten für die Reaktion auf DNA-Schäden beschreiten neue Wege im Verständnis der Funktion eines Proteins, dessen Verwendung in klinischen Tests zur Krebsbehandlung derzeit nur begrenzt möglich ist.

Unter der Leitung von Haichao Zhao, Ph.D., im Yan Lab der UNC Charlotte zeigt die neue Forschung, wie ATM-vermittelte Signale durch DNA-Einzelstrangbrüche (SSBs) zur Reparatur von DNA-Schäden induziert werden – sie beleuchtet die unterschiedlichen Mechanismen der SSB-induzierten ATM-Kinase und wirft wichtige Erkenntnisse zur APE1-Funktion.

In der neuen Studie veröffentlicht heute in Naturkommunikationdemonstrieren Forscher ihren Einsatz von plasmidbasierten SSB-Strukturen, um die entscheidende Rolle von APE1 in Signalwegen der DNA-Schadensreaktion (DDR) zu untersuchen.

Unter anderem zeigt die Veröffentlichung, dass SSB vor ATR eine ATM-Aktivierung induziert und so den Zellzyklusverlauf vorübergehend stoppt, während die DNA versucht, sich zu reparieren. Und – was für die Bedeutung der Studie von zentraler Bedeutung ist – das Team entdeckte direkte Beweise für die aktive Rolle von APE1, einem multifunktionalen Enzym, bei der SSB-induzierten ATM-DDR-Signalisierung.

„Wir zeigen, dass APE1 SSB-induzierte ATM-DDR durch mindestens zwei Mechanismen fördert: durch APE1-Exonuklease-Aktivität vermittelte SSB-Verarbeitung und APE1-vermittelte direkte Rekrutierung von ATM zu SSBs“, schrieben die Forscher.

Aufbauend auf der Frühere Arbeiten von Yan Lab an der UNC CharlotteDie Erkenntnisse stellen einen großen Fortschritt in unserem Verständnis der SSB-DNA-Reparatur und der zellulären Reaktion dar und könnten zu zukünftigen therapeutischen Hemmoptionen für eine Reihe menschlicher Krankheiten wie Krebs und Herzversagen beitragen.

Shan Yan, Ph.D. – Professor, stellvertretender Vorsitzender für Forschung im Department für Biowissenschaften der UNC Charlotte und Programmleiter der Genome Integrity and Cancer Initiative (GICI) von Charlotte – sagt: „Diese Erkenntnisse werden das Fachgebiet noch viele Jahre beeinflussen.“

„Wir haben das Verständnis davon verändert, wie ATM-Signale aktiviert werden“, sagte Yan.

Der Hauptautor von „Distinct regulation of ATM signaling by DNA single-strand breaks and APE1“, Haichao Zhao, meinte, dass die Forschung künftige klinische Studien unterstützen könne – sowohl zum Angriff auf Krebszellen und andere lebensbedrohliche Erkrankungen als auch zum Schutz nicht bösartiger Zellen während der Behandlung.

„Je mehr Daten oder Informationen über DNA-Schäden (und deren Reparatur) wir haben, desto bessere Behandlungsmöglichkeiten für Krebspatienten können wir entwickeln“, sagte Zhao.

Die Reaktion auf DNA-Schäden ist ein evolutionärer Prozess, der die Integrität des Genoms aufrechterhalten soll, da menschliche Zellen nahezu ständigen Angriffen durch interne und externe Faktoren ausgesetzt sind. DNA-Schäden lösen im Allgemeinen DDR aus – was eine „Kaskade“ aus Transkriptionsaktivierung, Reparatur und Zellzyklusstillstand auslöst, wie es die Studie ausdrückt.

Während die Forschung zur Reparatur von DNA-Schäden bei der zellulären Reaktion auf Doppelstrangbrüche (DSBs) weitaus etablierter ist, bestehen laut Zhao und Yan Wissenslücken in Bezug auf SSBs. Insbesondere, so Yan, hätten Molekularbiologen wenig bis gar keine direkten Beweise für die genaue Funktion von APE1 an SSB-Stellen.

In der Vergangenheit hielten Forscher Studien zu funktionellen Doppelstrangbrüchen im Allgemeinen für dringlicher, betont Zhao, da diese Art von DNA-Schaden eng mit Krebs in Verbindung steht. Allerdings können Doppelstrangbrüche die Entwicklung tödlicherer Doppelstrangschäden ankündigen. Darüber hinaus treten Doppelstrangbrüche weitaus häufiger auf – mehr als 10.000 Mal pro Tag in einer menschlichen Zelle. In jedem Fall müssen Reparaturmechanismen stattfinden, um die Integrität des Genoms zu schützen. Man geht davon aus, dass die Ansammlung von Doppelstrangbrüchen im Laufe der Zeit zu Krebs und Krankheiten beiträgt oder diese verursacht.

Durchbrüche in der SSB-Forschung, sagte Zhao, bergen das Potenzial für zukünftige translationale und klinische Reaktionen auf „vorgelagerte“ Gesundheitsrisiken.

Die Forschung von Zhao et al. belegt zum ersten Mal eindeutig, dass APE1 als direkter Aktivator der ATM-Kinase fungiert und so die Reparatur von Schäden an Einzelstrang-DNA fördert. Die Studie liefert außerdem direkte Beweise dafür, dass der ATM-abhängige DDR-Pfad durch ein SSB einer definierten DNA-Struktur aktiviert wird.

Darüber hinaus wirft die Studie der UNC Charlotte eine spannende Frage auf: Kann nachgewiesen werden, dass eine Überexpression von APE1 ATM auch in Abwesenheit von DNA dauerhaft aktiviert? Das Team stellt diese Frage und verweist auf das HSS-System der Studie, in dem APE1 oligomerisiert wurde – was eine direkte ATM-Kinase-Stimulation in vitro belegt.

In der Studie, in der die Forscher Argumente für zukünftige Experimente liefern, stellten sie die Frage: „Welche Rolle spielt möglicherweise die durch APE1-Überexpression induzierte ATM-vermittelte DDR-Signalisierung? APE1 wird in Krebszellen häufig überexprimiert gefunden … und ist mit einer schlechten Gesamtüberlebensrate bei Krebspatienten verbunden.“

Im Yan-Labor verwendeten die Forscher Eier von weiblichen Xenopus laevis (Afrikanische Krallenfrösche), um Hochgeschwindigkeits-Überstand-Eiextrakte (HSS) herzustellen, und führten später gereinigte Plasmid-DNA-Strukturen aus E. coli ein. Anschließend inkubierten die Forscher verschiedene Konzentrationen von SSB und Kontrollplasmid im HSS. Als Reaktion darauf, so zeigte die Studie, wurde APE1 „in einem frühen Stadium der SSB-Signalisierung zum SSB-Plasmid rekrutiert“. Und die Forschung zeigt, dass ATM durch SSBs aktiviert wird.

„Sowohl ATM- als auch ATR-DDR-Signalwege werden in klinischen Studien für Krankheiten wie Krebs untersucht, was die Bedeutung grundlegender mechanistischer Studien darüber unterstreicht, wie ATM und ATR aktiviert werden, um die Genomstabilität aufrechtzuerhalten“, schrieben die Forscher.