Forscher entdecken menschliche DNA-Reparatur durch Kernmetamorphose

Forscher der University of Toronto haben einen DNA-Reparaturmechanismus entdeckt, der das Verständnis darüber verbessert, wie menschliche Zellen gesund bleiben, und der zu neuen Behandlungsmethoden für Krebs und vorzeitiges Altern führen könnte.

Die Studie, veröffentlicht im Tagebuch Struktur- und Molekularbiologie der Naturwirft auch Licht auf den Wirkmechanismus einiger bestehender Chemotherapeutika.

„Wir glauben, dass diese Forschung das Rätsel löst, wie DNA-Doppelstrangbrüche und die Kernhülle zur Reparatur in menschlichen Zellen miteinander verbunden werden“, sagte Professor Karim Mekhail, Co-Hauptforscher der Studie und Professor für Labormedizin und Pathobiologie an der U of T’s Temerty Medizinische Fakultät.

„Es macht auch viele zuvor veröffentlichte Entdeckungen in anderen Organismen im Zusammenhang mit der menschlichen DNA-Reparatur anwendbar, was dazu beitragen sollte, dass die Wissenschaft noch schneller vorankommt.“

DNA-Doppelstrangbrüche entstehen, wenn Zellen Strahlung und Chemikalien ausgesetzt sind und durch interne Prozesse wie die DNA-Replikation. Sie gehören zu den schwerwiegendsten Arten von DNA-Schäden, da sie das Zellwachstum blockieren oder beschleunigen können, was Alterung und Krebs fördert.

Die neue Entdeckung, die in menschlichen Zellen und in Zusammenarbeit mit Professor Razqallah Hakem, einem Forscher am University Health Network und Professor an der Temerty Medicine, gemacht wurde, erweitert frühere Forschungen von Mekhail und anderen Wissenschaftlern zu DNA-Schäden in Hefen.

Im Jahr 2015 Mekhail und Mitarbeiter zeigte wie Motorproteine ​​tief im Zellkern von Hefezellen Doppelstrangbrüche zu „DNA-Krankenhaus-ähnlichen“ Proteinkomplexen transportieren, die in der Kernhülle am Rand des Zellkerns eingebettet sind.

Andere Studien deckten verwandte Mechanismen bei der DNA-Reparatur bei Fliegen und anderen Organismen auf. Allerdings berichteten Wissenschaftler, die ähnliche Mechanismen in menschlichen und anderen Säugetierzellen erforschten, bei den meisten Brüchen über eine geringe bis gar keine DNA-Mobilität.

„Wir wussten, dass Kernhüllenproteine ​​für die DNA-Reparatur der meisten dieser Organismen wichtig sind, also fragten wir uns, wie wir die begrenzte Mobilität beschädigter DNA in Säugetierzellen erklären können“, sagt Mekhail.

Die Antwort ist überraschend und elegant zugleich.

Wenn die DNA im Zellkern einer menschlichen Zelle beschädigt wird, bildet sich im Zytoplasma rund um den Zellkern ein spezifisches Netzwerk aus Mikrotubulifilamenten, das auf die Kernhülle drückt. Dies führt zur Bildung winziger Röhren oder Röhrchen, die bis in den Kern reichen und die meisten Doppelstrangbrüche auffangen.

„Es ist, als würden Finger auf einen Ballon drücken“, sagt Mekhail. „Wenn Sie einen Ballon zusammendrücken, formen Ihre Finger Tunnel in seiner Struktur, wodurch einige Teile der Außenseite des Ballons in sich hineingedrückt werden.“

In weiteren Untersuchungen der Studienautoren wurden mehrere Aspekte dieses Prozesses detailliert beschrieben. Enzyme namens DNA Damage Response Kinasen und Tubulinacetyltransferase sind die Hauptregulatoren des Prozesses und fördern die Bildung der Tubuli.

Enzyme hinterlegen eine chemische Markierung an einem bestimmten Teil der Mikrotubuli-Filamente, was dazu führt, dass sie winzige Motorproteine ​​rekrutieren und auf die Kernhülle drücken. Folglich schieben die reparaturfördernden Proteinkomplexe die Hülle tief in den Zellkern und schaffen so Brücken zu den DNA-Brüchen.

„Dadurch wird sichergestellt, dass der Kern eine Form der reversiblen Metamorphose durchläuft, die es der Hülle ermöglicht, vorübergehend DNA im gesamten Kern zu infiltrieren und gebrochene DNA einzufangen und wieder zu verbinden“, sagt Mekhail.

Die Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf einige Krebsbehandlungen.

Normale Zellen nutzen die Kernhüllenkanälchen, um DNA zu reparieren, aber Krebszellen scheinen sie stärker zu benötigen. Um die möglichen Auswirkungen des Mechanismus zu untersuchen, analysierte das Team Daten von über 8.500 Patienten mit verschiedenen Krebsarten. Der Bedarf war bei mehreren Krebsarten sichtbar, darunter auch beim dreifach negativen Brustkrebs, der sehr aggressiv ist.

„Es werden große Anstrengungen unternommen, um neue Therapiemöglichkeiten für Krebspatienten zu identifizieren, und diese Entdeckung ist ein großer Schritt nach vorne“, sagt Hakem, leitender Wissenschaftler am Princess Margaret Cancer Center der UHN und Professor an der Abteilung für medizinische Biophysik und -abteilung der U of T der Laboratoriumsmedizin und Pathobiologie.

„Bisher war den Wissenschaftlern unklar, welchen relativen Einfluss die Kernhülle auf die Reparatur beschädigter DNA in menschlichen Zellen hat. Unsere Zusammenarbeit ergab, dass die gezielte Ausrichtung auf Faktoren, die die Kernhülle für die Reparatur beschädigter DNA modulieren, die Entstehung von Brustkrebs wirksam eindämmt“, sagt Hakem .

Beim aggressiven dreifach negativen Brustkrebs sind die Werte der Tubuli erhöht, wahrscheinlich weil sie mehr DNA-Schäden aufweisen als normale Zellen. Als die Forscher die Gene ausschalteten, die zur Steuerung der Tubuli benötigt wurden, waren Krebszellen weniger in der Lage, Tumore zu bilden.

Ein Medikament zur Behandlung von dreifach negativem Brustkrebs ist eine Klasse von Medikamenten, die als PARP-Hemmer bezeichnet werden. PARP ist ein Enzym, das an beschädigte DNA bindet und diese repariert. PARP-Inhibitoren blockieren die Reparatur des Enzyms und verhindern so, dass sich die Enden eines DNA-Doppelstrangbruchs in Krebszellen wieder miteinander verbinden.

Die Krebszellen verbinden schließlich zwei gebrochene Enden, die nicht zum selben Paar gehören. Je mehr nicht übereinstimmende Paare entstehen, desto mehr können Zellen die resultierenden DNA-Strukturen nicht mehr kopieren und teilen.

„Unsere Studie zeigt, dass die Fähigkeit des Medikaments, diese Fehlpaarungen auszulösen, von den Tubuli abhängt. Wenn weniger Tubuli vorhanden sind, sind Krebszellen resistenter gegen PARP-Inhibitoren“, sagt Hakem.

Für die Erkenntnisse zu Krebszellen waren Partnerschaften zwischen Forschern verschiedener Fachgebiete von entscheidender Bedeutung. Die Studie unterstreicht die Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit, sagt Mekhail.

„Die Intelligenz hinter jedem Projekt ist von entscheidender Bedeutung. Jedes Teammitglied zählt. Außerdem ist jeder richtige Mitarbeiter, der dem Forschungsprojekt hinzugefügt wird, vergleichbar mit dem Erwerb eines weiteren Doktortitels in einem neuen Fachgebiet; das ist leistungsstark“, sagt er.

Mekhail weist darauf hin, dass die Entdeckung auch für vorzeitige Alterungszustände wie Progerie relevant ist. Die seltene genetische Erkrankung führt innerhalb der ersten zwei Lebensjahrzehnte zu einer schnellen Alterung, was häufig zu einem frühen Tod führt.

Progerie ist mit einem Gen verbunden, das für Lamin A kodiert. Mutationen in diesem Gen verringern die Festigkeit der Kernhülle. Das Team fand heraus, dass die Expression von mutiertem Lamin A ausreicht, um die Tubuli zu induzieren, die durch DNA-schädigende Wirkstoffe weiter verstärkt werden. Das Team geht davon aus, dass selbst ein geringer Druck auf die Kernhülle die Bildung von Tubuli in vorzeitig alternden Zellen anregt.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei Progerie die DNA-Reparatur durch das Vorhandensein zu vieler oder schlecht regulierter Tubuli beeinträchtigt sein kann. Die Studienergebnisse haben auch Auswirkungen auf viele andere klinische Erkrankungen, sagt Mekhail.

„Es ist spannend darüber nachzudenken, wohin uns diese Erkenntnisse als nächstes führen werden“, sagt Mekhail. „Wir haben hier bei Temerty Medicine und in unseren Partnerkrankenhäusern hervorragende Kollegen und unglaubliche Auszubildende. Wir arbeiten bereits daran, diese Entdeckung weiterzuverfolgen und unsere Arbeit zur Entwicklung neuartiger Therapeutika zu nutzen.“