Das Institut für Toxikologie der Universität Mainz befasst sich mit der Wirkung gentoxischer Noxen. Dazu gehören ultraviolettes Licht, ionisierende Strahlung und chemische Karzinogene. Diese sind in der Umwelt weit verbreitet; sie finden aber auch therapeutisch, z.B. in der Tumortherapie, Anwendung.
Gentoxische Noxen schädigen Zellen und Gewebe, indem sie die DNA angreifen. Das Ziel unserer Forschungsaktivitäten besteht darin, herauszufinden, welche spezifischen DNA-Schäden verantwortlich sind für die Zytotoxizität (z.B. durch Induktion des programmierten Zelltodes. der Apoptose), für die Entstehung von Genmutationen, Chromosomenschäden und der malignen Zell-Transformation. Wir untersuchen auch, wie diese DNA-Schäden repariert werden.
DNA-Reparatur ist essentiell dafür, dass unser Erbgut fehlerfrei von Generation zu Generation weitergegeben werden kann. Ohne DNA-Reparatur gäbe es kein Leben. Fehlerhafte DNA-Reparatur führt zu Schäden an der DNA und nachfolgend entweder zum Zelltod oder zu Mutationen und zur Krebsentstehung. Viele Krankheiten (Krebs, chronische Entzündungsprozesse, möglicherweise auch neurodegenerative Erkrankungen einschliesslich Alzheimer) sind mit DNA-Schädigung und fehlerhafter DNA-Reparatur assoziiert. Die Untersuchung von DNA-Reparaturvorgängen, insbesondere die Regulation der DNA-Reparatur, bildet neben Drug-Resistenz und Karzinogen-Metabolismus eines der Schwerpunktthemen unserer Forschungsarbeiten.

sind in der Umwelt weit verbreitet. Zu ihnen gehören der Tabakrauch, das Sonnenlicht, Emissionen aus Verbrennungen, Benzol im Treibstoff. Aber auch bei der Zubereitung von Nahrung entstehen hoch potente Karzinogene (z.B. beim Braten).

Gentoxische Noxen haben mannigfache Wirkungen auf den zellulären Stoffwechsel, auf Gewebe und Organe. 

schützt vor diesen schädigenden Wirkungen. Man kann DNA-Reparatur als "Schutzschild" des Erbgutes betrachten. DNA-Reparatur kann auch als Teil der Selbstheilungskräfte des Körpers (Salutogenese) angesehen werden.

Unter bestimmten Umständen erzeugen DNA-Reparaturvorgänge aber auch Mutationen. Dies erfolgt insbesondere durch fehlerhaft wirkende DNA-Polymerasen, durch die bestimmte Schäden in der DNA toleriert werden. Mutationen und Krebserkrankungen können folglich einerseits durch DNA-Reparatur verhindert, andererseits aber auch durch fehlerhafte Reparatur (Läsionstoleranz) bewirkt werden.

stellen einen weiteren Schwerpunkt unserer Untersuchungen dar. Unter "Signaling" versteht man die "Informationsweiterleitung" in der Zelle auf einen äusseren Reiz hin, welche über eine Kette von Enzymsystemen, z. B. Kinasen, erfolgt. Insbesondere interessiert uns das zelluläre Signaling nach Einwirkung von chemischen Karzinogenen, UV-Licht, ionisierender Strahlung und Krebs-Therapeutika. Dieses Signaling kann Schutzfunktionen induzieren. Dazu gehören DNA-Reparaturgene wie auch Onkogene und Tumor-Suppressor-Gene. So haben wir gezeigt, dass die Gene rho B, Alkyltransferase (MGMT), apurine Endonuklease (ape) und fen-1 durch gentoxischen Stress induzierbar sind. Die verstärkte Expression von DNA-Reparaturgenen bewirkt eine Protektion gegenüber gentoxischen Noxen.
Die DNA-Reparatur kann auch auf Proteinebene (post-translational) gesteuert werden, z. B. über Phosphorylierung. Dies konnten wir an der apurinen Endonuklease wie auch den Mismatch-DNA-Reparaturproteinen MSH2 und MSH6 nachweisen.

Da DNA-Reparatur so wichtig im Schutzsystem der Zelle ist, sollten sich Strategien besonderer Aufmerksamkeit erfreuen, welche darauf abzielen, die DNA-Reparaturkapazität von Zellen und Geweben zu bestimmen und gegebenenfalls in diesen zu verstärken. Wir haben Assays etabliert, die geeignet sind, die Effizienz der DNA-Reparatur zu messen.

Derzeit stehen folgende DNA-Repair-Assays zur Verfügung (siehe  Dienstleistungen)

-        Messung der MGMT-Enzymaktivität
-        Bestimmung der MGMT-Promotormethylierung
-        8-Oxoguanin-DNA-Glykosylase (OGG1)
-        Apurine Endonuklease (APE1)
-        DNA-Strangbruchbestimmung ("Comet-Assay")

MGMT (O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase) ist ein DNA-Reparaturprotein, welches Alkylierungen aus der O6-Position des Guanins (Methylierungen, Ethylierungen, Chlorethylierungen u.a.) entfernt. Diese Schäden bewirken Mutationen, Zytotoxitität und Krebs (sie sind prämutagen, prätoxisch und präkarzinogen). MGMT ist nicht nur ein extrem wichtiges schützendes Protein in unserem Körper, sondern auch ein bedeutender Resistenzfaktor von Tumoren gegenüber bestimmten Zytostatika. MGMT kann als Biomarker für Tumorprädisposition angesehen werden.

Es besteht wohlbegründete Hoffnung,  a) durch Hemmung der MGMT in Tumoren die Zytostatika-Wirkung zu verstärken und
b) durch Erhöhung der MGMT in sensiblen gesunden Geweben die Nebenwirkungen der Therapie zu reduzieren.

Ein Versuchsansatz, den wir derzeit verfolgen, besteht darin, die DNA-Reparatur durch Gentransfer oder die Verwendung spezifischer Hemmstoffe zu modulieren, um Zellen gezielt resistent bzw. sensitiv gegenüber gentoxischen Noxen zu machen. Das ist wichtig für die Gewinnung von Grundlagenwissen. Wir sind aber auch an der praktischen Umsetzung der Erkenntnisse interessiert, z. B. für die Tumortherapie, bei der man bestrebt ist, Tumorzellen gegenüber Zytostatika zu sensibilisieren und das gesunde Gewebe zu schützen. So haben wir Hemmstoffe gerichtet gegen das Reparaturprotein MGMT entwickelt, welche mit Zucker konjugiert sind, um auf diese Weise ein "Hemmstoff-Targeting" möglich zu machen. Die DNA-Reparatur durch MGMT können wir zudem in Tumoren messen, um einen Indikator für das Ansprechen von Tumoren  auf eine Zytostatikatherapie zu haben. Dies ist relevant insbesondere für Gehirntumore und maligne Melanome.

Wie Apoptose ausgehend von DNA-Schädigung induziert wird, war lange unbekannt. Ein Grund dafür bestand darin, dass DNA-schädigende Agenzien ein breites Muster an zellulären Veränderungen induzieren. Auch können sie unter Umständen direkt eine Aktivierung von Todesrezeptoren bewirken. Daher war es wichtig, zunächst spezifische DNA-Schäden zu identifizieren, welche Apoptose auslösen. Durch Untersuchungen an gentechnisch veränderten Zellen und Mäusen konnten wir zeigen, dass ein spezifischer DNA-Schaden, der durch krebserregende Stoffe im Tabakrauch und in Nahrungsmitteln erzeugt wird (O6-Methylguanin) Zelltod durch Apoptose auslöst. Den Mechanismus haben wir in Hamsterzell-Mutanten, in menschlichen Lymphozyten und in Gehirntumorzellen z.T. aufgeklärt. Die Apoptoseinduktion durch O6-Methylguanin ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass Zellen komplexe Mechanismen entwickelt haben, um Zellen mit krebserzeugenden DNA-Schäden zu eliminieren. - Auch UV-Licht, Röntgenstrahlen und chemische Karzinogene induzieren definierte DNA-Schäden, welche Apoptose auslösen. Die dabei aktivierten Signalwege sind abhängig vom DNA-Schadensmuster, dem Zelltyp, der Proliferationsrate sowie der Expression pro- und antiapoptotischer Proteine. Dem Tumorsuppressorprotein p53 sowie ATM, ATR, Akt-Kinase, c-Jun und c-Fos kommen dabei besondere Bedeutung zu.

Auch Medikamente, die zur Virus-Therapie (Virustatika) verwendet werden, induzieren Apoptose. Dies erfolgt insbesondere in Zellen, die mit Viren infiziert worden sind und bestimmte virale Proteine (z. B. HSV-Tk) exprimieren. Unter Verwendung gentechnisch veränderter Zellen haben wir den Mechanismus der toxischen Wirkung der Virustatika Ganciclovir, Penciclovir und Aciclovir auf Zellen untersucht. Dabei konnten wir zeigen, dass diese therapeutisch häufig eingesetzten Substanzen (insbesondere Ganciclovir) in die DNA eingebaut werden und DNA-Schäden induzieren. Diese Schäden aktivieren Stoffwechselketten, die zum Absterben der betroffenen Zellen führen. Ob diese Erkenntnisse auch bei der Krebstherapie Anwendung finden (der Suizid-Krebstherapie mit Ganciclovir) wird die Zukunft zeigen.

Viele chemische Substanzen, die die DNA angreifen, sind chemisch inert und inaktiv. Sie können aber nach ihrer Aufnahme in den Körper in aktive Substanzen umgewandelt werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als metabolische Aktivierung von Karzinogenen. Die Aktivierung erfolgt besonders gut in der Leber, da Leberzellen das aktivierende Enzymsystem, die Cytochrom P450 Monooxygensasen, exprimieren. Nicht nur Karzinogene, sondern auch viele Medikamente werden über dieses Enzymsystem verstoffwechselt und abgebaut, wobei nicht selten reaktive DNA-schädigende Metabolite entstehen, welche mutagen und karzinogen sind.

Das karzinogene Agenzien metabolisierende System unterliegt einer Regulation, welche vom Ah-Rezeptor (Ah=Arylhydrocarbon)gesteuert wird. Viele Fremdstoffe, so zum Beispiel das im Tabakrauch enthaltene Benzpyren wie auch das Umweltgift Dioxin, gelangen in die Zelle, binden an den zytoplasmatischen Ah-Rezeptor, welcher daraufhin in den Zellkern gelangt. Im Zellkern bindet an diesen Komplex das Protein ARNT und aktiviert den Rezeptorkomplex, so dass er an Regulationseinheiten bestimmter Gene binden kann und diese Gene verstärkt zur Expression bringt. Zu diesen Genen gehört auch Cytochrom P450. Karzinogene können folglich ihren eigenen Stoffwechsel über das Ah-Rezeptorsystem stimulieren. Die Untersuchung des molekularen Mechanismus dieses Karzinogen-Aktivierungssystems sowie die Erforschung der dabei beteiligten Signalwege bildet einen weiteren Forschungsgegenstand am Institut für Toxikologie.

Modell der Aktivierung des Ah-Rezeptorsystems durch polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH), Dioxine und Flavonoide.

Um die Bedeutung bestimmter Proteine im Schutzsystem der Zelle und des Körpers zu erfassen, ist es notwendig, diese Proteine in der Menge zu modulieren. Dies kann sehr elegant durch genetische Manipulation erfolgen, indem das Gen, welches für das Protein kodiert, in Zellen inaktiviert (Knockout-System) oder überexprimiert (transgene Expression) wird. So zeigten wir, dass Mäuse, welche das menschliche Reparaturgen MGMT in der Haut exprimieren, resistent gegenüber der Hautkrebs-induzierenden Wirkung von Alkylantien werden. Umgekehrt: Wird das Gen durch gentechnische Manipulation inaktiviert, so werden die Individuen empfindlich gegenüber alkylierenden Karzinogenen. Wir haben inzwischen Zell- und Tiermodelle auch für bestimmte Krebsgene etabliert, so für Gene, welche an der Nieren- und Darm-Karzinogenese beteiligt sind.

Die Ergebnisse unserer Forschungen sind in Original- und Übersichtsarbeiten dokumentiert worden.
Eine Übersicht ausgewählter Arbeiten finden Sie unter Publikationen.

Die experimentellen Forschungsarbeiten des Instituts werden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Deutsche Krebshilfe, Wilhelm-Sander-Stiftung, Stiftung Rheinland-Pfalz und das MAIFOR-Programm der Universität Mainz.

 

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