Zelluläre DNA-Schadensreaktionswege könnten gegen einige krankheitserregende Viren nützlich sein

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass das Auslösen einer DNA-Schadensreaktion einer Zelle ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung neuartiger Behandlungsmethoden gegen mehrere seltene, aber verheerende Viren sein könnte, für die es noch keine antiviralen Behandlungen gibt. Dazu zählt möglicherweise auch das krebserregende humane Papillomavirus (HPV).

Online veröffentlicht am 10. August in NukleinsäureforschungDer Artikel konzentriert sich auf den DNA-Schadensreaktionsweg und zeigt, wie dieser Weg die Funktion eines viralen Enzyms, einer Helikase, verringern und so die Virusreplikation hemmen kann.

„Diese Forschung ist von Bedeutung, weil sie einerseits hilft zu verstehen, wie Zellen auf DNA-Schäden reagieren, um zu verhindern, dass sie überhaupt erst krebsartig werden, und andererseits, weil sie neue Möglichkeiten für die Behandlung einiger seltener, aber verheerender Virusinfektionen eröffnet“, sagt Dr. Thomas Melendy, leitender Autor der Studie und außerordentlicher Professor für Mikrobiologie und Immunologie an der Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences der University at Buffalo.

Wie sich die Replikation als Reaktion auf DNA-Schäden verlangsamt

Im Mittelpunkt der Forschung steht ein Prozess namens „DNA-Schadensreaktion“, bei dem es teilweise darum geht, die DNA-Synthese zu stoppen oder zu verlangsamen, wenn zelluläre DNA-Schäden auftreten.

„Diese Wege sind wichtig, um eine Verschlimmerung von DNA-Schäden zu verhindern, die entweder zum Zelltod oder zu Krebs führen können“, erklärt Rama Dey-Rao, Ph.D., wissenschaftliche Assistenzprofessorin für Mikrobiologie und Immunologie an der Jacobs School und gemeinsame Erstautorin des Artikels mit Caleb Hominski, Ph.D., einem früheren Studenten im Labor.

Wenn diese Wege aktiviert werden, wird die DNA-Replikation an Stellen im Genom, den sogenannten Ursprüngen, unterdrückt; gleichzeitig verlangsamt sich auch die Entwicklung der DNA-Replikationsgabeln. Replikationsgabeln, die so genannt werden, weil ihre Struktur einer Gabel ähnelt, sind Stellen, an denen große Proteingruppen die Genomreplikation durch die Entwindung und Synthese von DNA koordinieren.

Obwohl man laut Melendy ziemlich viel darüber weiß, wie die Reaktion auf DNA-Schäden dazu führt, dass Zellen die DNA-Replikationsursprünge nicht mehr „zünden“, ist es weitaus schwieriger herauszufinden, wie sich die Fortbewegung der Replikationsgabeln als Reaktion auf DNA-Schäden verlangsamt.

„Forscher waren sehr daran interessiert, wie diese Verlangsamung zustande kommt, weil sie so dramatisch ist“, sagt Melendy. „DNA-Schadensreaktionswege führen dazu, dass Replikationsgabeln den Fortschritt um das Zehnfache verlangsamen. Diese zehnfache Verlangsamung bedeutet, dass die Synthese des Genoms der Zelle, die normalerweise etwa 12 Stunden dauert, fast fünf Tage dauern würde, was die Zeit, die Zellen zur Reparatur von DNA-Schäden haben, erheblich verlängert.“

Eine virale Verbindung

Seit Jahren untersuchen Melendy und seine Kollegen zwei Arten kleiner DNA-Viren: Papillomviren wie HPV und Polyomaviren, die die meisten Menschen infizieren, ohne ernsthafte Erkrankungen hervorzurufen, bei immungeschwächten Personen jedoch zu schweren Erkrankungen und einigen Krebsarten führen können. Eine seltene Krebserkrankung, die durch ein Polyomavirus verursacht wurde, führte 2023 zum Tod des Musikers Jimmy Buffett.

„Wir haben zuvor gezeigt, dass HPV als Reaktion auf DNA-Schäden seine DNA-Replikation weder stoppt noch verlangsamt, während Polyomaviren ihre DNA-Replikation stoppen oder verlangsamen“, sagt Melendy. „Durch den Vergleich und die Gegenüberstellung dieser beiden Virustypen können wir also Erkenntnisse darüber gewinnen, wie die DNA-Replikation von Polyomaviren als Reaktion auf DNA-Schäden verlangsamt wird, was uns wiederum Einblicke darin gibt, wie menschliche Zellen Replikationsgabeln verlangsamen.“

In ihrer aktuellen Forschung weisen sie nach, dass eine Phosphorylierungsstelle – an der einem Molekül ein Phosphat hinzugefügt wird – am wichtigsten DNA-Replikations- und Transkriptionsprotein des Polyomavirus bei Polyomaviren vieler Tierarten hochkonserviert ist.

„Die Erhaltung dieser Phosphorylierung/Modifizierung bei Polyomaviren, die sich so entwickelt haben, dass sie viele verschiedene Säugetierarten infizieren, lässt darauf schließen, dass sie wahrscheinlich wichtig ist“, sagt Melendy.

Um die Auswirkungen hiervon zu untersuchen, führten die UB-Forscher eine Mutation an dem spezifischen Aminosäurerest des Virusproteins durch, an dem diese Phosphorylierung auftritt, um die dort vorhandene Hinzufügung einer Phosphatgruppe zu simulieren.

Als sie dieses mutierte Virusprotein mithilfe eines Systems zur Bewertung der DNA-Replikation von Polyomaviren in menschlichen Zellen exprimierten, stellten sie fest, dass die Genomreplikation des Virus um das Zehnfache abnahm. Die virale Transkription blieb jedoch davon unberührt, was darauf hindeutet, dass die Phosphorylierung dieses Aminosäurerestes einen hochspezifischen Effekt auf die virale DNA-Replikation hat, andere Funktionen dieses Proteins jedoch nicht beeinflusste.

Die Rolle der DNA-Helikase

Beim Vergleich des Wildtyp-Proteins mit dem mutierten Protein stellten sie fest, dass die einzige Funktion beeinträchtigt war: die Fähigkeit, als DNA-Helikase zu wirken und DNA-Stränge aufzuwickeln, um den Eintritt von DNA-Syntheseenzymen zu erleichtern.

„Dies ist der erste Beweis dafür, dass es möglich sein könnte, die Phosphorylierung als „Schalter“ an einer DNA-Helikase zu verwenden, um die Replikationsgeschwindigkeit zu verringern“, erklärt Melendy.

Es gibt Hinweise darauf, dass eine ähnliche Phosphorylierung auch in menschlichen DNA-Helikasen auftreten kann.

„Wenn wir bei vielen Krebsarten gezielt die noch vorhandenen DNA-Schadenskontrollpunkte hemmen und sie gleichzeitig mit geringeren Mengen DNA-schädigender Chemotherapeutika behandeln, als normal, dann könnten wir in der Lage sein, Krebszellen gezielt zu schädigen, während nicht-krebsartige Zellen intakt bleiben. Dies würde die Abtötung von Krebszellen erheblich steigern und gleichzeitig die toxischen Nebenwirkungen verringern.“

Dies ist ein laufendes Studiengebiet der UB-Forscher und ihrer Mitarbeiter am Roswell Park Comprehensive Cancer Center.

Basierend auf der aktuellen Studie könnten diese DNA-Schadens-Checkpoints nun für die Behandlung von Virusinfektionen mit den an der UB untersuchten kleinen DNA-Viren relevant sein.

„Da sie für die Synthese ihres viralen Genoms fast ausschließlich auf Enzyme der Wirtszelle angewiesen sind, sind diese kleinen DNA-Viren sehr resistent gegen antivirale Therapeutika“, sagt Melendy.

„Derzeit gibt es keine antiviralen Behandlungsmöglichkeiten für HPV oder Polyomaviren. Durch Auslösen einer DNA-Schadensreaktion bei einem Patienten könnte dies die virale DNA-Replikation drastisch verlangsamen und die Infektion unterdrücken. Dies eröffnet uns einen neuen Ansatz für mögliche antivirale Behandlungen dieser bislang nicht behandelbaren Virusinfektionen.“