Visual Universitätsmedizin Mainz

Dr. Teodora Nikolova

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DNA-Reparatur und Alkylantien- Sensitivität von Tumorzellen

Alkylierende Gentoxine werden aufgrund ihrer potenten zytotoxischen Wirkung auf schnell teilende Zellen seit langem in der Therapie maligner Tumore verwendet. Methylierende und chloroethylierende Agenzien induzieren primäre und sekundäre DNA-Schäden, welche, falls deren Reparatur nicht erfolgt, die betroffenen Zellen in den programmierten Zelltod (Apoptose oder Nekrose) einleiten können. Dabei treten die DNA-Addukte O6-Methylguanin, das von Methylanzien induziert wird, und O6-Chlorethylguanin (bei Chlorethyl-nitrosoharnstoffen) als kritischen primären DNA-Läsionen hervor. In Tumorzellen, welche das Reparaturenzym MGMT exprimieren, werden diese Addukte durch Übertragung der Alkylgruppe auf das Reparaturprotein repariert. In Zellen mit fehlender MGMT-Funktion führen die entstandenen Läsionen hingegen zur Bildung von sekundären DNA-Schäden (z. B. DNA-Strangvernetzungen nach Behandlung mit Chlorethylnitrosoharnstoffen). Diese werden weiter in DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) konvertiert, die ihrerseits Apoptose oder Nekrose auslösen können. In menschlichen Zellen existieren zwei Mechanismen zur Reparatur von DSB: die homologe Rekombination und das Non-Homologous-End-Joining. Bei der Bildung der DSB entstehen im Zellkern Reparaturproteinkomplexe, die immunzytochemisch als diskrete intranukleäre Foci nachweisbar sind.

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a. Intranukleare Foci von DSB-Marker γH2AX und phospho-53BP1 induziert in Glioblastomzellen durch Lomustin. b. Glioblastomzelle mit doppeltmarkierten Mitochondrien mit AIF-Antikörper und Mitotracker Orange. c. DNA Fibre Spreads von replizierenden Glioblastomzellen markiert mit Chlordeoxyuridin und Ioddeoxyuridin. d. Apoptische Glioblastomzelle markiert mit AnnexinV auf der Zellmembran und mit γH2AX-Foci im Kern induziert durch Nimustin.

Schwerpunkte der aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten unserer Gruppe sind Themen, die sich mit Fragen der DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur und Sensitivität von Tumorzellen gegenüber alkylierenden Gentoxinen beschäftigen. Aufgrund ihrer Wirkung auf die DNA und nachweisbarer Aktivität bei der Abtötung von Krebszellen werden methylierenden Agenzien wie Temozolomid (TMZ) und chlorethylierenden Agenzien wie die Nitrosoharnstoffe (CNUs) CCNU (Lomustin) und ACNU (nimustine) als Mittel der Wahl in der Chemotherapie von Hirntumoren und Hirnmetastasen verschiedener Herkunft verwendet. Derzeit leitet Dr. Nikolova ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt  mit dem Thema: „Präklinische Untersuchungen mit Inhibitoren der DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur zur verbesserten Chemotherapie von malignen Hirntumoren“. Das Ziel der Projektgruppe besteht darin, die Rolle der DNA Doppelstrangbruch-Reparatur für die Glioblastomsensitivität gegenüber die alkylierenden Chemotherapeutika zu ermitteln. Für die Modulation der DSB-Reparatur, bzw. der Empfindlichkeit gegen TMZ und CNUs werden spezifische HR-Inhibitoren (RAD51-Inhibitoren) und PARP-Inhibitoren verwendet. Zusätzlich untersuchen wir auch die zytotoxische Wirkung von gleichzeitig applizierten kombinatorischen Behandlungen mit RAD51 und PARP Inhibitoren. Da PARP an den Backup-NHEJ-Mechanismen für die Reparatur von DSB in Abwesenheit von funktionellem HR beteiligt ist, zeigen HR-defekte Zellen, und insbesondere solche mit BRCA2-Mutationen, eine Überempfindlichkeit gegenüber PARP-Inhibitoren = PARPi. Diese Chemosensibilisierung von BRCA2-mutierten Zellen ähnelt im Endeffekt dem Phänomen der "synthetischen Letalität", einem Begriff, der die letalen Effekte bei der Unterbrechung zweier DNA-Reparaturwege durch Mutationen beschreibt.   Die synthetische Letalität ist von klinischem Interesse, da sie eine genetisch begründete Stratifizierung von Patienten in effektive Therapien ermöglicht. Deswegen prüfen wir derzeit ob Kombinationen von PARPi mit neuentwickelten RAD51 Inhibitoren "synthetische Letalität" –ähnliche Effekte in Glioblastomzellen in vitro und in vivo auslösen können.

Masterstudenten oder medizinische Doktoranden sind herzlich eingeladen sich zu bewerben um Teile des Projektes, im Rahmen ihrer Master- oder Doktorarbeit zu bearbeiten.

1. Nikolova T, Kiweler N, Krämer OH. Interstrand Crosslink Repair as a Target for HDAC Inhibition. Trends Pharmacol Sci. 2017;38(9):822-836. Review.

 

2. Nikolova T, Roos WP, Krämer OH, Strik HM, Kaina B. Chloroethylating nitrosoureas in cancer therapy: DNA damage, repair and cell death signaling. Biochim Biophys Acta. 2017;1868(1):29-39. Review.

 

3. Berte N, Piée-Staffa A, Piecha N, Wang M, Borgmann K, Kaina B, Nikolova T* (last author). Targeting Homologous Recombination by Pharmacological Inhibitors Enhances the Killing Response of Glioblastoma Cells Treated with Alkylating Drugs. Mol Cancer Ther. 2016;15(11):2665-2678.

 

4. Ensminger M, Iloff L, Ebel C, Nikolova T, Kaina B, Lӧbrich M. DNA breaks and chromosomal aberrations arise when replication meets base excision repair. J Cell Biol. 2014 7;206(1):29-43.

 

5. Nikolova T, Dvorak M, Jung F, Adam I, Krämer E, Gerhold-Ay A, Kaina B. The γH2AX assay for genotoxic and nongenotoxic agents: comparison of H2AX phosphorylation with cell death response. Toxicol Sci. 2014;140(1):103-17.

 

6. Knizhnik AV, Roos WP, Nikolova T, Quiros S, Tomaszowski KH, Christmann M, Kaina B. 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):e55665.

 

7. Nikolova T*, Hennekes F*, Bhatti A., Kaina B. (2012) Chloroethylnitrosourea-induced cell death and genotoxicity: cell cycle dependence and the role of DNA double-strand breaks, HR and NHEJ. Cell Cycle. 11(14):2606-2619.        

                                                                             

8. Nikolova T., M. Emsinger, M. Loebrich and B. Kaina. (2010) Homologous recombination protects mammalian cells from replication-associated DNA double-strand breaks arising in response to methyl methanesulfonate. DNA Repair (Amst) 9(10):1050-1063.

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