Prof. Dr. Bernd Kaina

DNA-Reparatur im Schutz vor maligner Entartung, Zelltod und Seneszenz

DNA-Reparatur im Schutzsystem der Zelle

Die Zelle besitzt von jedem Gen zwei Kopien; Keimzellen sogar nur eine Kopie. Schäden an der DNA können folglich nicht - wie dies bei anderen Zellbestandteilen der Fall ist - ersetzt, sondern müssen repariert werden. Nicht reparierte DNA-Schäden führen zum Zelltod, zur zellulären Seneszenz (Altern) und zu Mutationen. Sie sind Ausgangspunkt für Krebsentstehung und assoziiert mit einer Vielzahl von Erkrankungen sowie dem organismischen Altern. DNA-Reparatur kann als das Haupt-Abwehrsystem auf zellulärer Ebene angesehen werden, durch das wir gegenüber mannigfachen das Erbgut schädigenden (gentoxischen) Expositionen geschützt sind.

In unseren Projekten untersuchen wir die Bedeutung der verschiedenen DNA-Reparaturwege im Schutzsystem der Zelle hinsichtlich Zytotoxizität, gentoxischen Veränderungen und maligner Transformation (Krebs). Wir arbeiten dabei mit Zellen, die Defekte in bestimmten DNA- Reparaturwegen aufweisen oder aber wir stellen gentechnisch Zellen wie auch Individuen (Mäuse) her, in denen bestimmte Reparaturgene verstärkt exprimiert oder inaktiviert (knockdown, knockout) wurden. Auf diesem Wege haben wir z.B. gezeigt, dass das Reparaturprotein O⁶-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) extrem wichtig im Schutzsystem der Zelle und des Organismus gegenüber alkylierenden Karzinogenen ist. Diese Karzinogene, die N-Nitrosamine, kommen u. a. in der Nahrung und im Tabakrauch vor. Alkylierende Verbindungen werden aber auch in der Tumortherapie verwendet. Daher ist MGMT ein zweischneidiges Schwert: es schützt einerseits vor Tumorbildung und andererseits bewirkt es in der Tumortherapie Drug-Resistenz und damit eine geringe Wirkung der Therapeutika.

Wir haben auch gezeigt, dass ein Reparatursystem - die Mismatch-Reparatur - erforderlich ist, um den DNA-Schaden O⁶-Methylguanin in Chromosomenmutationen und Zytotoxizität zu überführen. Dies zeigt, dass DNA-Reparatur nicht nur schützt, sondern auch - wenn sie fehlerhaft abläuft - fatale Konsequenzen für die Zelle haben kann.

Kaina B. (2022) Chemische Kanzerogenese, Lehrbuchbeitrag in: K. Aktories, V. Flockerzi, U. Förstermann, F. Hofmann, Urban & Fischer Verlag, München, Jena, 13. Auflage, 1030-1056

Kaina B, Beltzig L, Strik H (2022) Temozolomide - Just a radiosensitizer? Front Oncol. 2022 Jun 16;12:912821. doi: 10.3389/fonc.2022.912821.

Kaina B, Christmann M. (2019) DNA repair in personalised brain cancer therapy with temozolomide and nitrosoureas, DNA Repair, 78:128-141

Dörsam B, Seiwert N, Foersch S, Stroh S, Nagel G, Begaliew D, Diehl E, Kraus A, McKeague M, Minneker V, Roukos V, Reißig S, Waisman A, Moehler M, Stier A, Mangerich A, Dantzer F, Kaina B, Fahrer J. (2018) PARP-1 protects against colorectal tumor induction, but promotes inflammation-driven colorectal tumor progression., Proc Natl Acad Sci U S A, 115(17), 4061-4070

Kaina B. (2017) DNA-Reparatur und Darmkrebs: Wie Escheria coli und Darmzellen sich vor Genotoxinen schützen, Naturwiss. Rundsch., 7, 328-335

Efferth T., Kaina B. (2007) Chemical Carcinogenesis: Genotoxic and Non-genotoxic Mechanisms. In: H. Greim and R. Snyder(edts), Toxicology and Risk Assessment: A Comprehensive Introduction, John Wiley & Sons Ltd., pp. 151-179

Christmann M., Tomicic M.T., Roos W., Kaina B. (2003) Mechanisms of human DNA repair: an update, Toxicology, 193, 3-34

Ensminger, M., L. Iloff, C. Ebel, T. Nikolova, B. Kaina* and M. Löbrich* (2014) DNA breaks and chromosomal aberrations arise when replication meets base excision repair, J. Cell Sci., 206, 29-43   

Mechanismen der Crosslink-Reparatur

Es gibt Agenzien, die Vernetzungen in der DNA erzeugen. Diese Substanzen sind für die Tumor-Chemotherapie von besonderer Bedeutung, so das Cyclophosphamid, das zur Therapie vieler Tumore (einschliesslich Brustkrebs) verwendet wird.  Zellen mit Defekten in der Crosslink-Reparatur sind hoch empfindlich gegenüber diesen gentoxischen Substanzen und sterben durch programmierten Zelltod (Apoptose). In diesem Projekt untersuchen wir die Mechanismen, die ausgehend von DNA-Crosslinks zum Zelltod führen.

Goldstein M., Ross W., Kaina B. (2008) Apoptotic death induced by the cyclophosphamide analogue mafosfamide in human lymphoblastoid cells: contribution of DNA replication, transcription inhibition and Chk/p53 signaling, Toxicology and Applied Pharmacology, 229, 20-32

Brozovic A., Fritz G., Christmann M., Zisowsky J., Jaehde U., Osmak M., Kaina B. (2004) Long-term activation of SAPK/JNK, p38 kinase and fas-L expression by cisplatin is attenuated in human carcinoma cells that acquired drug resistance. International Journal of Cancer, 112, 974-985

MGMT in der Tumortherapie und Schutz gegen Karzinogene

DNA-Reparatur ist nicht nur wichtig im Schutzsystem der Zelle gegenüber Strahlung und Umweltgenotoxinen, sondern spielt auch eine Rolle in der Tumortherapie. So ist das Reparaturprotein MGMT ein eminent wichtiger Resistenzmarker für Zytostatika, die methylierend (z.B. Procarbazin, Dacarbazin und Temozolomid in der Hirntumor-Therapie) und chloroethylierend (Carmustin, Nimustin, Lomustin und Fotemustin) wirken. Manche Tumore exprimieren kein MGMT; diese Tumore sind empfindlich gegenüber den genannten Zytostatika. Wir haben Testsysteme zur MGMT-Bestimmung in Tumoren etabliert. Wir verfolgen zudem auch die Strategie, das MGMT-Protein durch Hemmstoffe gezielt im Tumorgewebe zu blockieren, um den Tumor für eine Alkylantientherapie zu sensibilisieren (Tumor-Targeting).

Christmann, M., B. Verbeek, W.P. Roos and B. Kaina (2011) O⁶-Methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) in normal tissues and tumors: enzyme activity, promoter methylation and immunohistochemistry, Biochem. Biophys. Acta, Rev. Cancer, 1816, 179-190

Kaina B., Christmann M., Naumann S., Roos W. (2007) MGMT: key node in the battle against genotoxicity, carcinogenicity and apoptosis induced by alkylating agents, DNA Repair, 6, 1079-1099

Tomaszowski KH, Hellmann N, Ponath V, Takatsu H, Shin HW, Kaina B. (2017) Uptake of glucose-conjugated MGMT inhibitors in cancer cells: role of flippases and type IV P-type ATPases, Scientific Reports, 7(1):13925. doi: 10.1038/s41598-017-14129-x

Christmann M., Kaina B. (2016) MGMT - A critical DNA repair gene target for chemotherapy resistance, in 2nd edition, M.R. Kelley and M.L. Fishel (edts): DNA Repair in Cancer Therapy, Molecular Targets and Clinical Applications, pp. 55-82

Wiewrodt D., Nagel G., Dreimüller N., Hundsberger T., Perneczky A., Kaina B. (2008) MGMT in primary and recurrent human glioblastomas after radiation and chemotherapy and comparison with p53 status and clinical outcome, International Journal of Cancer, 122, 1391-1399

Strik H., Buhk J., Wrede A., Hoffmann A., Bock C., Christmann M., Kaina B. (2008) Rechallenge with temozolomide with different scheduling is effective in recurrent malignant gliomas, Molecular Medicine Reports, 1, 863-867

Koch D., Hundsberger T., Boor S., Kaina B. (2007) Local intracerebral administration of O6-benzylguanine combined with systemic chemotherapy with temozolomide of a patient suffering from a recurrent glioblastoma, Journal of Neuro-Oncology, 82, 85-89

Kaina B., Muhlhausen U., Piee-Staffa A., Christmann M., Garcia Boy R., Rosch F., Schirrmacher R. (2004) Inhibition of O6-methylguanine-DNA methyltransferase by glucose-conjugated inhibitors: comparison with nonconjugated inhibitors and effect on fotemustine and temozolomide-induced cell death, Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics, 311, 585-593

Preuss I., Eberhagen I., Haas S., Eichhorn U., Kaufman M., Beck T., Eibl R., Dall P., Bauknecht T., Dippold W., Hengstler J., Kaina B. (1996) Activity of the DNA repair protein O6-methylguanine-DNA methyltransferase in human tumor and corresponding normal tissue, Cancer Detection and Prevention, 20, 130-136

Fahrer J. and B. Kaina (2013) O6-Methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) in the defense against N-nitroso compounds and colorectal cancer, Carcinogenesis, 34, 2435-2442

Christmann, M. and B. Kaina (2012) O⁶-Methylguanine-DNA methyltransferase: impact on cancer risk in response to tobacco smoke, Mutation Research, 736, 64-74

Mechanismus der Apoptose induziert durch DNA-Schäden

Viele DNA-Schäden erzeugen nicht nur Mutationen, sie sind auch toxisch für die Zelle. Einer dieser Schäden, den wir als potent genotoxisch identifiziert haben, ist O⁶-Methylguanin. Diese Läsion wird durch Umweltmutagene wie auch durch Zytostatika (z.B. Temozolomid) in der DNA induziert und ist nicht nur mutagen und für Tumorentstehung verantwortlich, sondern auch toxisch, indem der programmierte Zelltod (Apoptose) einleitet wird. Den Mechanismus, der ausgehend von O⁶-Methylguanin zur Apoptose führt, haben wir an menschlichen Fibroblasten, Lymphozyten, Glioblastom- und Melanomzellen untersucht und konnten zeigen, dass die für die Apoptoseinduktion DNA-Synthese und Mismatch-Reparatur essentiell sind. Die komplexe Ereigniskette, die zum Tod von Tumorzellen führt, läuft besonders effizient ab, wenn das Tumor-Suppressorprotein p53 anwesend ist. MGMT ist ein wichtiger Resistenzfaktor. Für chloroethylierende Zytostatika spielt p53 keine Verstärkerrolle, sondern unterdrückt die Apoptose durch Simulation der DNA- Reparatur.

He Y, Roos WP, Wu Q, Hofmann TG, Kaina B. (2019) The SIAH1-HIPK2-p53ser46 damage response pathway iin involved in temozolomide-induced glioblastoma cell death, Mol. Cancfer Res., 17(5): 1129-1141

Kaina, B. (2019) Temozolomide in glioblastoma therapy: Role and apoptosis, senescence and autophagy. Comment on Strobel et al., Temozolomide and other alkylating agents in glioblastoma therapy. Biomedicines 2019, 7, 69, Nov 11;7(4)

Roos WP, Frohnapfel L, Quiros S, Ringel F, Kaina B. (2018) XRCC3 contributes to temozolomide resistance of glioblastoma cells by promoting DNA double-strand break repair, Cancer Lett. 424:119-126

Roos, W.P., A.D. Thomas and B. Kaina (2016) DNA damage and the balance between survival and death in cancer biology, Nature Rev. Cancer, 16 (1), 20-33

Roos W., Batista L., Naumann S., Wick W., Weller M., Menck C., Kaina B. (2007) Apoptosis in malignant glioma cells triggered by the temozolomide- induced DNA lesion O6- methylguanine, Oncogene, 26, 186-197

Kaina B., Christmann M., Naumann S., Roos W. (2007) MGMT: key node in the battle against genotoxicity, carcinogenicity and apoptosis induced by alkylating agents, DNA Repair, 6, 1079-1099

Batista L., Roos W., Christmann M., Menck C., Kaina B. (2007) Differential sensitivity of malignant glioma cells to methylating and chloroethylating anticancer drugs: p53 determines the switch by regulating xpc, ddb2 and DNA double-strand breaks, Cancer Research, 67, 11886-11895

Zelluläre Seneszenz durch DNA-Schäden

DNA-Schäden sind nicht nur mutagen und toxisch, sondern induzieren auch Altern auf zellulärer Ebene: die zelluläre Seneszenz. Seneszente Zellen teilen sich nicht und können lange Zeiträume in diesem ruhenden Stadium überleben. Sie zeichnen sich durch Sekretion inflammatorischer Zytokine aus und haben ein hohes Maß an inhärenter ROS-Produktion und DNA-Schädigung. Wir konnten zeigen, dass der kritische DNA-Schaden O⁶-Methylguanin in Glioblastomzellen mehr Seneszenz als Apoptose induziert; Seneszenz ist also ein wichtiger Endpunkt bewirkt durch Umweltkarzinogene und Zytostatika. Die Beseitigung seneszenter Zellen kann durch spezifische Substanzen erfolgen: den Senolytika. Wir haben am Glioblastom-Modell Senolytika identifiziert und für die supportive Tumortherapie vorgeschlagen. Hierzu gehören Fisetin und Artesunate, beides Naturstoffe mit therapeutischem Potenzial.

Beltzig L, Christmann M, Kaina B. (2022), Abrogation of cellular senescence induced by temozolomide in glioblastoma cells: Search for senolytics, Cells, 2022 Aug 19; 11 (16):2588.doi: 10.3390/cells11162588. PMID: 36010664

Beltzig L, Schwarzenbach C, Leukel P, Frauenknecht KBM, Sommer C, Tancredi A, Hegi ME, Christmann M, Kaina B. (2022), Senescence is the main trait induced by temozolomide in glioblastoma cells, Cancers, 14(9), 2233 pp

Beltzig L, Stratenwerth B, Kaina B. (2021) Accumulation of temozolomide-induced apoptosis, senescence and DNA damage by metronomic dose schedule: A proof-of-principle study with glioblastoma cells, Cancers (Basel), 13(24):6287. doi: 10.3390/cancers13246287.PMID:34944906

Stratenwerth, B, Geisen, SM, He, Y, Beltzig, L, Sturla, S and Kaina, B. (2021) Molecular dosimetry of temozolomide: Quantification of critical lesions, correlation to cell death responses and threshold doses, Molecular Cancer Therapeutics, 20 (10), 1789-1799.

Aasland D, Götzinger L, Hauck L, Berte N, Meyer J, Effenberger M, Schneider S, Reuber EE, Roos WP, Tomicic MT, Kaina B, Christmann M. (2019) Temozolomide induces senescence and repression of DNA repair pathways in glioblastoma cells via activation of ATR-CHK1, p21, and NF-kB, Cancer Research, 79, 99-113

Knizhnik, A.V., W. P. Roos, T. Nikolova, S. Quiros, K.H. Tomaszowski, M. Christmann and B. Kaina (2013) Survival and death strategies in glioma cells: autophagy, senescence and apoptosis triggered by a single type of temozolomide-induced DNA damage, PLoS ONE, 2013;8(1):e5566

Regulation von Reparaturgenen

In der DNA-Reparatur und der DNA-Schadensantwort sind mehr als 500 Proteine (Enzyme und regulierend wirkende Proteine) involviert, die in ihrer Funktion an der DNA und der DNA-Schadensmenge fein aufeinander abgestimmt sein müssen. Diese Vorgänge unterliegen einer Regulation auf transkriptioneller und epigenetischer Ebene. Wir konnten zeigen, dass die DNA-Reparaturgene DDB2, XPC, XPF und XPG robust nach Einwirkung von Genotoxinen hochreguliert (induziert) werden. Auch die Schadens-Polymerase Pol H wird induziert, was Einfluss nicht nur auf das Überleben der Zellen sondern auch die Mutationsfrequenz hat. Auch MGMT könnte in einer adaptiven Antwort (adaptive response) involviert sein. Das Reparaturgen wird auch durch Glukokortikoide reguliert.

Christmann M, Kaina B. (2019) Epigenetic regulation of DNA repair genes and implications for tumor therapy, Mutation Research, 780:15-28

Aasland D, Reich TR, Tomicic MT, Switzeny OJ, Kaina B, Christmann M. (2018) Repair gene O6-methylguanine-DNA methyltransferase is controlled by SP1 and up-regulated by glucocorticoids, but not by temozolomide and radiation, J. Neurochem., 144, 139-151

Christmann M., Boisseau C., Kitzinger R., Berac C., Allmann S., Sommer T., Aasland D., Kaina B. and M. Tomicic (2016) Adaptive upregulation of DNA repair genes following benzo(a)pyrene diol epoxide protects against cell death at the expense of mutations, Nucleic Acids Research, 44, 10727-10743

Christmann, M. and B. Kaina (2013) Transcriptional regulation of human DNA repair genes following genotoxic stress: trigger mechanisms, inducible responses and genotoxic adaptation, Nucl. Acids Res., 41, 8403-8420

Die Problematik: Schwellendosen

Wenn DNA-Reparatur vor Mutationen und Krebs schützt, so liegt die Vermutung nahe, dass eine adaptive Hochregulation der DNA-Reparatur eine Schwellendosis von karzinogenen Noxen bewirkt, unterhalb derer keine oder wenige Effekte sichtbar sind. Bisher geht man bei Strahlung und chemischen Karzinogenen von der Nichtexistenz von Schwellendosen aus, d.h. selbst kleinste Dosen sind krebserregend. Dieses Konzept steht derzeit auf dem Prüfstand. Sicher ist, dass das Reparaturenzym MGMT sehr effizient vor O⁶-Methylguanin-induzierenden Alkylanzien schützt; hierzu gehören Mutagene (u.a. N-Nitrosamine) aus Nahrungs- (Fleisch-, Wurstwaren) und Genussmitteln (Tabak). Dosis-Wirkungskurven an experimentellen Systemen, einschliesslich Mausmodellen, zeigen eine Nicht-Effekt Schwelle. Auch die Induktion der in der Nukleotid-Exzisionsreparatur involvierten Gene DDB2 und XPC könnte unter adaptiven Bedingungen für eine Schwelle sorgen. Zusammengefasst zeigen unsere und weitere publizierte Daten, dass niedrig dosierte Mutagene anders zu bewerten sind als Hoch-Dosis-Expositionen.

Stratenwerth, B, Geisen, SM, He, Y, Beltzig, L, Sturla, S and Kaina, B. (2021) Molecular dosimetry of temozolomide: Quantification of critical lesions, correlation to cell death responses and threshold doses, Molecular Cancer Therapeutics, 20 (10), 1789-1799.

He Y, Kaina B. (2019) Are these thresholds in glioblastoma cell death responses triggered by temozolomide? Int J Mol Sci., 2019 Mar 28;20(7)

Fahrer, J., J. Frisch, G. Nagel, A. Kraus, B. Dörsam,  A. D. Thomas, S. Reißig, A. Waisman and B. Kaina (2015) DNA repair by MGMT, but not AAG, causes a threshold in alkylation-induced colorectal carcinogenesis, Carcinogenesis, 36, 1235-1244

Thomas, A.D., J. Fahrer, G.E. Johnson and B. Kaina (2015) Theoretical considerations for thresholds in chemical carcinogenesis,  Mutat. Res. Rev., 765, 56-67

Becker, K., A.D. Thomas and B. Kaina (2014) Does increase in DNA repair allow “tolerance-to-insult” in chemical carcinogenesis? Skin tumor experiments with MGMT overexpressing mice, Environ. Mol. Mutagenesis, 55, 145-150

Wirkung von Artesunate und Curcumin

Artemisinin und Curcumin sind Naturstoffe, die in der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) seit Langem breite Anwendung finden. Das Artemisinin-Derivat Artesunate ist derzeit first-line Medikament bei der Behandlung der Malaria. Die Wirkung ist interessant: Artesunate braucht Fe, welches in den Erythrozyten (Häm) reichlich vorhanden ist. Dadurch wird es durch eine interne Peroxydgruppe aktiviert und bildet ROS. Dieses tötet die Plasmodien in den Erythrozyten ab. Wir haben gezeigt, dass dies auch in Tumorzellen passiert, wobei die ROS-Produktion in diesen lang anhaltend ist, ständig oxidative DNA-Schäden einschliesslich Doppelstrangbrüche gebildet werden, bis eine Schwelle erreicht wird, bei der die Zelle durch Apoptose stirbt. Die Kinetik der DNA-Schädigung unterscheidet sich somit grundlegend von der nach Radiotherapie. Artesunate hemmt auch DNA-Reparaturvorgänge, wodurch die Wirkung von Zytostatika verstärkt werden kann.

Berte N., Lokan S., Eich M., Kim E., Kaina B. (2016) Artesunate enhances the therapeutic response of glioma cells to temozolomide by inhibition of homologous recombination and senescence, Oncotarget, 7, 67235-67250

Berdelle, N., Nikolova T., Quiros S., Efferth T., Kaina B. (2011) Artesunate induces oxidative DNA damage, sustained DNA double-strand breaks and the ATM/ATR damage response in cancer cells, Mol. Cancer Therap., 10, 2224-223

Li P.C.H., Lam E., Roos W.P., Zdienicka M.Z., Kaina B., Efferth T. (2008) Artesunate derived from traditional chinese medicine induces DNA damage and repair, Cancer Res., 68, 4347-4351

Für das wasserunlösliche Curcumin, das in ölhaltigen Curry-Gerichten (durch Mizellenbildung) gut aufgenommen werden kann, gibt es eine Vielzahl an Arbeiten, die auf eine gesundheitsfördernde Wirkung hinweisen. Wir haben gezeigt, dass Mäuse, die täglich mizelliertes Curcumin aufnahmen, eine geringere Darmkrebshäufigkeit aufweisen als Tiere in der Kontrollgruppe. Diese Daten unterstützen die Annahme, dass Curcumin Krebs-Protektiv wirksam ist. Curcumin in sehr hohem Dosisbereich hat toxische (Apoptose) und genotoxische Wirkungen. Diese Konzentrationen können aber bei der Aufnahme akls Nahrung nicht erreicht werden. Die Daten sind dennoch interessant, da in der Krebstherapie Tumorzellen durch Curcumin abgetötet werden könnten. Auf dieser Grundlage wird Curcumin in der supportiven Therapie geprüft.

Seiwert, N., Fahrer, J., Nagel, G., Frank, J., Behnam, D., Kaina B. (2020) Curcumin administered as micellar solution suppresses intestinal inflammation and colon carcinogenesis, Nutrition and Cancer, 29:1-8

Beltzig L, Frumkina A, Schwarzenbach C, Kaina B. (2021) Cytotoxic, genotoxic and senolytic potential of native and micellar curcumin, Nutrients, 13 (7):2385

DNA-Reparatur in Zellen des Immunsystems

Zellen des Immunsystems tragen erheblich zum Schutz vor Tumorerkrankungen bei, da sie Krebszellen frühzeitig erkennen und beseitigen können. In Tumoren sind immunkompetente Zellen zu finden, die Einfluss auf das Tumorwachstum haben und therapiebestimmend sein können. Die modernen Methoden der Tumor-Immuntherapie basieren auf diesen grundlegenden Erkenntnissen. Da Tumore in der Regel bestrahlt und/oder mit Therapeutika behandelt werden, die gentoxisch sind, so stellt sich die Frage nach dem Schicksal von immunkompetenten Zellen im Tumorgewebe. Eine Schlüsselrolle in der Immunabwehr spielen Dentritische Zellen (DCs). Diese werden aus Monozyten gebildet, die aus dem Knochenmark stammen. Wir haben gezeigt, dass Monozyten eine geringe DNA-Reparaturfähigkeit haben und dass diese Fähigkeit wieder erlangt wird, wenn Monozyten in Makrophagen und DCs ausreifen. Dies liegt insbesondere an der Stilllegung und anschliesender Hochregulation der Reparaturgene XRCC1, PARP-1 und Ligase III. Die Hypersensitivität von Monozyten gegenüber chemischen Oxidantien, Strahlung und alkylierenden Agenzien könnte Einfluss auf die Tumortherapie haben (durch Depletion von DCs). Wir haben zudem vorgeschlagen, dass die Hypersensitivität gegenüber ROS ein Regulationsmechanismus darstellt, um überschießende Immunreaktionen in entzündlichen Geweben zu verhindern.

Berte N, Eich M, Heylmann D, Koks C, Van Gool SW, Kaina B. (2021) Impaired DNA repair in mouse monocytes compared to macrophages and precursors, DNA Repair, 98:103037

Ponath V., Kaina B. (2017) Death of monocytes through oxidative burst of macrophages and neutrophils: killing in trans, PLoS One, 12(1):e0170347 (pp.1-20)

Bauer, M., M. Goldstein, D. Heylmann and B. Kaina (2012) Human monocytes undergo excessive apoptosis following temozolomide activating the ATM/ATR pathway while dendritic cells and macrophages are resistant, PLoS ONE, 7(6):e39956

Bauer, M., M. Goldstein, M. Christmann, H. Becker, D. Heylmann and B. Kaina (2011) Human monocytes are severely impaired in base and DNA double-strand break repair that renders them vulnerable to oxidative stress, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 21105-21110

Briegert M. and B. Kaina (2007) Human monocytes, but not dendritic cells derived from them, are defective in base excision repair and hypersensitive to methylating agents, Cancer Res., 67, 26-31

Ein Vergleich der unterschiedlichen immunkompetenten Zellen im Blut zeigte, dass nicht nur Monozyten, sondern auch periphere Lymphozyten (B- und T-Zellen) äusserst strahlensensitiv im Vergleich zu DCs und Makrophagen sind. Diese hohe Strahlensensitivität betrifft vor allem nicht-stimulierte Lymphozyten und ist bedingt durch ATM-bedingtes Signaling und hohe Bereitschaft der Zellen, nach DNA-Schädigung in die Apoptose zu gehen.

Heylmann D., Ponath V., Kindler T., Kaina B. (2021) Comparison of DNA repair and radiosensitivity of different blood cell populations, Scientific Reports, 11(1):2478

Heylmann D., Badura J., Becker H., Fahrer J., Kaina B. (2018) Sensitivity of CD3/CD28-stimulated versus non-stimulated lyymphocytes to ionizing radiation and genotoxic anticancer drugs: key role of ATM in the differential radiation response, Cell Death Dis. 9(11):1053

Heylmann D., Rödel F., Kindler T., Kaina B. (2014) Radiation sensitivity of human and murine peripheral blood lymphocytes, stem and progenitor cells, Biochem. Biophys. Acta, 1846, 121-129

Heylmann D., M. Bauer, H. Becker, S. van Gool, N. Bacher, K. Steinbrink and  B. Kaina (2013) Human CD4+CD25+ regulatory T cells are sensitive to low dose cyclophosphamide: implications for the immune response, PLoS One, 8(12):e83384

DNA-Reparatur in der Hirntumor - Therapie

Verbindungen, die O⁶-Methylguanin in der DNA induzieren, sind als neurotrope Karzinogene bekannt, d.h. sie erzeugen Hirntumore. Auf der anderen Seite werden diese Substanzen (Temozolomid, Dacarbazin u.a.) in der Therapie von Gliomen wie auch in der Therapie anderer Tumore verwendet. Dieser Widerspruch liegt darin begründet, dass O⁶-Methylguanin induziert in der DNA durch diese Substanzen sowohl ein karzinogener als auch ein zytotoxischer DNA-Schaden ist. Wird er nicht durch MGMT repariert, so kann er seine Wirkung entfalten und tötet Tumorzellen ab. In Glioblastomen wird MGMT in bis zu 40% der Fälle nicht exprimiert. Diese Tumorgruppe hat eine relativ gute Prognose. Die MGMT-Bestimmung erfolgt über einen radioaktiven Enzymassay, den wir am Institut etabliert haben. Sie kann zudem auch durch Bestimmung der MGMT-Promotormethylierung erfolgen. Diese korreliert mit der MGMT-Downregulation und wird als Surrogat-Marker inzwischen weltweit verwendet. Auch diese Methode haben wir am Institut etabliert und - in Kooperation mit der Pathologie (Prof. Sommer) und Neurochirurgie (Prof. Ringel) - gezeigt, dass niedrige MGMT-Enzymaktivität und Promotormethylierung mit dem Ansprechen auf die Therapie korrelieren. Für die MGMT-Aktivität konnten wir eine Schwelle von <30 fmol/mg Protein ermitteln. Der im therapeutischen Dosisbereich wichtige toxische Schaden induziert durch methylierende Zytostatika ist das mehrfach erwähnte O⁶-Methylguanin. Wir haben den Pathway, der ausgehend von der Erkennung des Schadens, Umwandlung durch Mismatch-Reparatur in Doppelstrangbrüche bis zur Apoptoseexekution eingehend in Glioblastom-Zellen untersucht und Drug-Resistenzmarker identifiziert (MGMT, MMR, DDR, Faktoren involviert in der DSB-Reparatur durch HR, Inhibitoren der Apoptose). Unsere jüngsten Arbeiten betrafen das Gebiet der Seneszenz. So konnten wir kürzlich zeigen, dass die meisten Tumorzellen nicht durch Apoptose sterben, sondern in einen ruhenden (seneszenten) Zustand nach Temozolomid-Behandlung übergehen. Wie Apoptose wird dieser Vorgang durch O⁶-Methylguanin ausgelöst. Wie haben die molekularen Vorgänge genauer untersucht und konnten zeigen, dass bestimmte Substanzen selektiv seneszente Glioblastom-Zellen abtöten. Diese Substanzgruppe, die Senolytika, werden möglicherweise in der Gliom-Therapie in Zukunft eine erhebliche Rolle spielen.

Beltzig L., Christmann M., Kaina B. (2022) Abrogation of cellular senescence induced by temozolomide in glioblastoma cells: search for senolytics, Cells, 11(16):2588

Kaina B., Beltzig L., Strik H. (2022) Temozolomide - Just a radiosensitizer? Front Oncol, 12:912821

Beltzig L., Schwarzenbach C., Leukel P., Frauenknecht K.B.M., Sommer C., Tancredi A., Hegi M.E., Christmann M., Kaina B. (2022), Senescence is the main trait induced by temozolomide in glioblastoma cells, Cancers, 14(9), 2233 pp

Beltzig L., Stratenwerth B., Kaina B. (2021) Accumulation of temozolomide-induced apoptosis, senescence and DNA damage by metronomic dose schedule: A proof-of-principle study with glioblastoma cells, Cancers (Basel), 13(24):6287

Haas B., Ciftcioglu J., Jermar S., Weickhardt S., Eckstein N., Kaina B. (2021) Methadone-mediated sensitization of glioblastoma cells is drug and cell line dependent,  J. Cancer Res Clin Oncol., 147(3):779-792

Kaina B., Beltzig L., Piee-Staffa A., Haas B. (2020) Cytotoxic and senolytic effects of methadone in combination with temozolomide in glioblastoma cells, Int. J. Mol. Sci., 21(19):7006

Kaina B. (2019) Temozolomide in glioblastoma therapy: Role of apoptosis, senescence and autophagy. Comment on Strobel et al., Temozolomide and other alkylating agents in glioblastoma therapy, Biomedicines, 7(4), pii: E90

Kaina B., Christmann M. (2019) DNA repair in personalized brain cancer therapy with temmozolomide and nitrosoureas, DNA Repair, 78:128-141

He Y., Roos W.P., Wu Q., Hofmann T.G., Kaina B. (2019) The SIAH1-HIPK2-p53ser46 damage response pathway is involved in temozolomide-induced glioblastoma cell death, Mol Cancer Res., 17(5):1129:1141

Aasland D., Götzinger L., Hauck L., Berte N., Meyer J., Effenberger M., Schneider S., Reuber E.E, Roos W.P., Tomicic M.T., Kaina B., Christmann M. (2019) Temozolomide induces senescence and repression of DNA repair pathways in glioblastoma cells via activation of ATR-CHK1, p21, and NF-kB, Cancer Research, 79, 99-113

Roos W.P., Frohnapfel L., Quiros S., Ringel F., Kaina B. (2018) XRCC3 contributes to temozolomide resistance of glioblastoma cells by promoting DNA double-strand break repair, Cancer Lett. 424:119-126

Tomaszowski K.H., Hellmann N., Ponath V., Takatsu H., Shin H.W., Kaina B. (2017) Uptake of glucose-conjugated MGMT inhibitors in cancer cells: role of flippases and type IV P-type ATPases, Scientific Reports, 7(1):13925

Christmann M., Kaina B. (2016) MGMT - A critical DNA repair gene target for chemotherapy resistance, in 2nd edition, M.R. Kelley and M.L. Fishel (edts): DNA Repair in Cancer Therapy, Molecular Targets and Clinical Applications, pp. 55-82

Switzeny O., Christmann M., Renovanz M., Giese A., Sommer C., Kaina B. (2016) MGMT promoter methylation determined by HRM in comparison to MSP and pyrosequencing for predicting high-grade glioma response, Clinical Epigenetics, 8: 49 pp

Nikolova T., Roos W.P., Krämer O., Strik H., Kaina B. (2017) Chloroethylating nitrosoureas in cancer therapy: DNA damage, repair and cell death signaling, Biochim. Biophys. Acta, 1868, 29-39

Tomaszowski K.H., Schirrmacher R., Kaina B. (2015) Multidrug efflux pumps attenuate the effect of MGMT inhibitors,  Mol. Pharmaceutics, 12, 3924-3934

Roos W.P., Quiros S., Krumm A., Mertz S., Switzeny O., Christmann M., Loquai C., Kaina B. (2014) B-Raf inhibitor vemurafenib in combination with temozolomide and fotemustine in the killing response of malignant melanoma cells, Oncotarget, 5, 12607-12620

Eich M., Roos W.P., Nikolova T., Kaina B. (2013) Contribution of ATM and ATR to the resistance of glioblastoma and malignant melanoma cells to the methylating anticancer drug temozolomide, Mol. Cancer Therap., 12, 2529-2540

Christmann M., Verbeek B., Roos W.P., Kaina B. (2011) O⁶-Methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) in normal tissues and tumors: enzyme activity, promoter methylation and immunohistochemistry, Biochem. Biophys. Acta, Rev. Cancer, 1816, 179-190

Kaina B., Margison G., Christmann M. (2010) Targeting O⁶-methylguanine-DNA methyltransferase with specific inhibitors as a strategy in cancer therapy, Cell. Mol. Life Sci. 67, 3663-3681

Wiewrodt D., Nagel G., Dreimüller N., Hundsberger T., Perneczky A., Kaina B. (2008) MGMT in primary and recurrent human glioblastomas after radiation and chemotherapy and comparison with p53 status and clinical outcome, Int. J. Cancer, 122, 1391-1399

Koch D., Hundsberger T., Boor S., Kaina B. (2007) Local intracerebral administration of O⁶-benzylguanine combined with systemic chemotherapy with temozolomide of a patient suffering from a recurrent glioblastoma, J. Neurooncology, 82, 85-89

Roos W.P., L.F.Z. Batista, Naumann S., Wick W., Weller M., Menck C.F.M., Kaina B. (2007) Apoptosis in malignant glioma cells triggered by the temozolomide-induced DNA lesion O⁶-methylguanine, Oncogene, 26, 186-197

Berte N., Piée-Staffa A., Piecha N., Wang M., Borgmann K., Kaina B., Nikolova T. (2016) Targeting homologous recombination by pharmacological inhibitors enhances the killing response of glioblastoma cells treated with alkylating drugs, Mol. Cancer Ther., (11):2665-2678

Batista L.F.Z., Roos W.P., Christmann M., Menck C.F.M., Kaina B. (2007) Differential sensitivity of malignant glioma cells to methylating and chloroethylating anticancer drugs: p53 determines the switch by regulating xpc, ddb2 and DNA double-strand breaks, Cancer Res., 67, 11886-11895

Viele dieser Projekte wurden durch die DFG und die Mildred Scheel-Stiftung gefördert, sowie durch Spenden und die intrauniversitäre Forschungsförderung. Den beteiligten Master-Studenten und Doktorandinnen und Doktoranden sowie den Kooperationspartnern gilt mein aufrichtiger Dank.