Studie untersucht, wie DNA-Schäden durch antioxidative Enzyme repariert werden

Eine typische menschliche Zelle ist stoffwechselaktiv und vollführt chemische Reaktionen, die Nährstoffe in Energie und nützliche Produkte umwandeln, die das Leben erhalten. Bei diesen Reaktionen entstehen auch reaktive Sauerstoffspezies, gefährliche Nebenprodukte wie Wasserstoffperoxid, die die Bausteine ​​der DNA auf die gleiche Weise schädigen, wie Sauerstoff und Wasser Metall korrodieren und Rost bilden. Ähnlich wie Gebäude durch die kumulative Wirkung von Rost einstürzen, bedrohen reaktive Sauerstoffspezies die Integrität eines Genoms.

Man geht davon aus, dass Zellen ihren Energiebedarf sorgfältig ausgleichen und eine Schädigung der DNA vermeiden, indem sie die Stoffwechselaktivität außerhalb des Zellkerns und innerhalb des Zytoplasmas und der Mitochondrien eindämmen. Antioxidative Enzyme werden eingesetzt, um reaktive Sauerstoffspezies an ihrer Quelle zu beseitigen, bevor sie die DNA erreichen. Dies ist eine Abwehrstrategie, die die etwa 3 Milliarden Nukleotide vor potenziell katastrophalen Mutationen schützt. Kommt es trotzdem zu einem DNA-Schaden, halten die Zellen kurz inne und führen Reparaturen durch, indem sie neue Bausteine ​​synthetisieren und die Lücken füllen.

Trotz der zentralen Rolle des Zellstoffwechsels bei der Aufrechterhaltung der Genomintegrität gibt es keine systematische, unvoreingenommene Studie darüber, wie sich Stoffwechselstörungen auf den DNA-Schäden- und Reparaturprozess auswirken. Dies ist besonders wichtig für Krankheiten wie Krebs, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, Stoffwechselprozesse für ein ungehindertes Wachstum zu kapern.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Sara Sdelci vom Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona und Joanna Loizou vom CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien und der Medizinischen Universität Wien hat sich dieser Herausforderung mit der Durchführung angenommen verschiedene Experimente, um herauszufinden, welche Stoffwechselenzyme und -prozesse für die DNA-Schadensreaktion einer Zelle wesentlich sind. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht Molekulare Systembiologie.

Die Forscher induzierten experimentell DNA-Schäden in menschlichen Zelllinien mithilfe eines gängigen Chemotherapeutikums namens Etoposid. Etoposid wirkt, indem es DNA-Stränge aufbricht und ein Enzym blockiert, das bei der Reparatur des Schadens hilft. Überraschenderweise führte die Auslösung einer DNA-Schädigung dazu, dass reaktive Sauerstoffspezies erzeugt wurden und sich im Zellkern ansammelten. Die Forscher beobachteten, dass zelluläre Atmungsenzyme, eine Hauptquelle reaktiver Sauerstoffspezies, als Reaktion auf DNA-Schäden von den Mitochondrien in den Zellkern verlagert wurden.

Die Ergebnisse stellen einen Paradigmenwechsel in der Zellbiologie dar, da sie darauf hindeuten, dass der Zellkern metabolisch aktiv ist. „Wo Rauch ist, ist Feuer, und wo reaktive Sauerstoffspezies sind, sind Stoffwechselenzyme am Werk. In der Vergangenheit haben wir uns den Zellkern als ein metabolisch inertes Organell vorgestellt, das alle seine Bedürfnisse aus dem Zytoplasma importiert, aber unsere Studie zeigt, dass es sich um einen anderen Typ handelt.“ „Der Stoffwechsel findet in Zellen statt und findet sich im Zellkern“, sagt Dr. Sdelci, korrespondierender Autor der Studie und Gruppenleiter am Center for Genomic Regulation.

Die Forscher verwendeten CRISPR-Cas9 auch, um alle Stoffwechselgene zu identifizieren, die in diesem Szenario für das Überleben der Zellen wichtig waren. Diese Experimente ergaben, dass Zellen dem Enzym PRDX1, einem antioxidativen Enzym, das normalerweise auch in Mitochondrien vorkommt, befehlen, zum Zellkern zu wandern und dort vorhandene reaktive Sauerstoffspezies abzufangen, um weitere Schäden zu verhindern. Es wurde auch festgestellt, dass PRDX1 den Schaden repariert, indem es die zelluläre Verfügbarkeit von Aspartat reguliert, einem Rohstoff, der für die Synthese von Nukleotiden, den Bausteinen der DNA, von entscheidender Bedeutung ist.

„PRDX1 ist wie ein Roboter-Poolreiniger. Es ist bekannt, dass Zellen es verwenden, um ihr Inneres „sauber“ zu halten und die Ansammlung reaktiver Sauerstoffspezies zu verhindern, aber noch nie zuvor auf nuklearer Ebene. Dies ist ein Beweis dafür, dass in einem Krisenzustand die Der Kern reagiert mit der Aneignung der mitochondrialen Maschinerie und führt eine Notfallpolitik zur raschen Industrialisierung ein“, sagt Dr. Sdelci.

Die Ergebnisse können künftige Leitlinien für die Krebsforschung sein. Einige Krebsmedikamente, wie das in dieser Studie verwendete Etoposid, töten Tumorzellen, indem sie ihre DNA schädigen und den Reparaturprozess hemmen. Wenn sich genügend Schaden ansammelt, leitet die Krebszelle einen Prozess ein, bei dem sie sich selbst zerstört.

Während ihrer Experimente fanden die Forscher heraus, dass das Ausschalten metabolischer Gene, die für die Zellatmung – den Prozess, der Energie aus Sauerstoff und Nährstoffen erzeugt – entscheidend ist, dazu führt, dass normale gesunde Zellen resistent gegen Etoposid werden. Der Befund ist wichtig, da viele Krebszellen glykolytisch sind, was bedeutet, dass sie selbst in Gegenwart von Sauerstoff Energie erzeugen, ohne Zellatmung durchzuführen. Dies bedeutet, dass Etoposid und andere Chemotherapien mit einem ähnlichen Mechanismus wahrscheinlich nur eine begrenzte Wirkung bei der Behandlung glykolytischer Tumoren haben.

Die Autoren der Studie fordern die Erforschung neuer Strategien wie einer Doppelbehandlung mit der Kombination von Etoposid und Arzneimitteln, die auch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies steigern, um Arzneimittelresistenzen zu überwinden und Krebszellen schneller abzutöten. Sie gehen auch davon aus, dass die Kombination von Etoposid mit Inhibitoren von Nukleotidsyntheseprozessen die Wirkung des Medikaments verstärken könnte, indem es die Reparatur von DNA-Schäden verhindert und dafür sorgt, dass sich Krebszellen ordnungsgemäß selbst zerstören.

Dr. Loizou, korrespondierender Autor und Gruppenleiter am Zentrum für Molekulare Medizin und der Medizinischen Universität Wien, betont den Wert datengesteuerter Ansätze zur Entdeckung neuer biologischer Prozesse. „Durch den Einsatz unvoreingenommener Technologien wie CRISPR-Cas9-Screening und Metabolomik haben wir gelernt, wie die beiden grundlegenden zellulären Prozesse der DNA-Reparatur und des Metabolismus miteinander verknüpft sind. Unsere Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie die gezielte Behandlung dieser beiden Wege bei Krebs die Therapieergebnisse für Patienten verbessern könnte.“ .“