Prof. Dr. Markus Christmann
Transkriptionelle Regulation von DNA-Reparaturgenen durch genotoxischen Stress
Gentoxischer Stress verursacht DNA-Schäden, die zur Anhäufung von Mutationen, zur Karzinogenese und/oder zum Zelltod führen. Um diesen katastrophalen Auswirkungen entgegenzuwirken, entwickelten sich DNA-Reparaturmechanismen, welche DNA-Läsionen entfernen oder tolerieren und dadurch die genomische Integrität erhalten. Diese Reparaturmechanismen können durch den gentoxischen Stress auf unterschiedlichen Ebenen reguliert werden. Im Zentrum unserer Untersuchungen steht die Frage, wie die DNA-Reparatur durch gentoxischen Stress reguliert wird.
Durch genotoxischen Stress induzierte DNA-Reparaturgene
Christmann, M. and Kaina, B. (2013) Transcriptional regulation of human DNA repair genes following genotoxic stress: trigger mechanisms, inducible responses and genotoxic adaptation. Nucleic Acids Res. 41, 8403-8420.
Christmann M., Tomicic M., Roos W., Kaina B. (2003) Mechanisms of human DNA repair: an update. Toxicology 193, 3-34
Transkriptionelle Induktion von DNA-Reparaturgenen durch Zytostatika
Neben Umweltkarzinogenen induzieren auch Zytostatika DNA-Schäden. Daher untersuchen wir auch die transkriptonelle Regulation von DNA-Reparaturfaktoren, sowie von apoptotischen Faktoren nach Behandlung mit Zytostatika wie dem methylierenden Zytostatikum Temozolomid (TMZ) und den chloroethylierenden Zytostatika Fotemustin und ACNU. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten wir zeigen, dass die Resistenz von Melanomzellen gegenüber Fotemustin durch eine p53-abhängige Induktion der DNA-Reparaturgene TREX1, POLH vermittelt wird. Weiterhin konnten wir zeigen, dass in Gliomzellen die mitochondriale Apoptose nach TMZ-Behandlung über c-JUN-abhängige Induktion des pro-apoptotischen Faktors BIM vermittelt wird.
Tomicic, M., Meise, R., Aasland, D., Berte, N., Kitzinger, R., Krämer, O.H., Kaina ,B. and Christmann, M. (2015) Apoptosis induced by temozolomide and nimustine in glioblastoma cells is supported by JNK/c-Jun mediated induction of the BH3-only protein BIM. Oncotarget, 6, 33755-68.
Tomicic, M.T., Aasland, D., Naumann, S.C., Meise, R., Barckhausen, C., Kaina, B. and Christmann, M. (2014) Translesion Polymerase η Is Upregulated by Cancer Therapeutics and Confers Anticancer Drug Resistance. Cancer Res., 74, 5585-5596.
Tomicic, M.T., Aasland, D., Nikolova, T., Kaina, B. and Christmann, M. (2013) Human three prime exonuclease TREX1 is induced by genotoxic stress and involved in protection against UV light and anticancer drugs. BBA Molecular Cell Research 1833, 1832-1843.
Transkriptionelle und epigenetische Regulation der MGMT
Die O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT), ist ein DNA-Reparaturprotein, welches Alkylierungen von der O6-Position des Guanins entfernt. Diese Schäden sind bei der Therapie mit dem methylierenden Zytostatikum Temozolomid und den chloroethylierenden Zytostatika ACNU, CCNU und Fotemustin für die Zytotoxitität verantwortlich, weshalb MGMT als Biomarker für Tumortherapie von Gliomen verwendet werden kann. In murinen Zellen konnte nach gentoxischem Stress eine transkriptionelle Induktion der MGMT-Expression beobachtet werden. Daher stellte sich die Frage, ob es auch in menschlichen Zellen, insbesondere in Tumorzellen nach Behandlung mit Zytostatika zu einer transkriptionellen Aktivierung der MGMT kommt. In unseren Arbeiten konnten wir zeigen, dass dies nicht der Fall ist. Weder kommt es nach Behandlung mit Temozolomid, CCNU oder ionisierender Strahlung zu einer Aktivierung des Promotors noch zu einer Änderung in der Expression der mRNA oder des Proteins. In menschlichen Zellen scheint die Regulation von MGMT ausschließlich über Promotormethylierung zu erfolgen. So konnten wir zeigen, dass die Expression der MGMT in Melanomzellen durch Behandlung mit dem chloroethylierenden Zytostatikum Fotemustin erhöht wird, was auf einer verstärkten Methylierung im kodierenden Bereich des Genkörpers zurückzuführen ist. In weiteren Arbeiten wurde in Hirntumoren die Aktivität der MGMT mit der Promotoraktivierung verglichen. Hierbei handelte es sich um ein Tumor-Kollektiv, welches Astrozytome WHO Grad III und Glioblastome WHO Grad IV umfasst. In diesem Kollektiv wurde die Expression von MGMT mittels Promotor-methylierungsspezifischer PCR sowie der direkten Bestimmung der MGMT-Aktivität in 65 Glioblastomen und 22 Astrozytomen untersucht. Es zeigte sich, dass beide Methoden in über 75% der Tumore ein übereinstimmendes Ergebnis liefern.
Aasland D, Reich, Tomicic MT, Switzeny OJ, Kaina B and Christmann M. (2018) Repair gene MGMT is controlled by SP1 and upregulated by glucocorticoids, but not by temozolomide and radiation, Journal of Neurochemistry, 144, 139-151.
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.
Christmann M, Verbeek B, Roos WP, Kaina B. O(6)-Methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) in normal tissues and tumors: Enzyme activity, promoter methylation and immunohistochemistry. Biochim Biophys Acta. 2011; 1816:179-90.
Christmann, M., Nagel, G., Horn, S., Krahn, U., Wiewrodt, D., Sommer, C., and Kaina, B. (2010). MGMT activity, promoter methylation and immunohistochemistry of pretreatment and recurrent malignant gliomas: a comparative study on astrocytoma and glioblastoma. Int J Cancer, 127, 2106-2118.
Christmann M, Pick M, Lage H, Schadendorf D, Kaina B. (2001) Acquired resistance of melanoma cells to the antineoplastic agent fotemustine is caused by reactivation of the DNA repair gene MGMT. Int J Cancer. 92, 123-129
Transkriptionelle Repression von DNA-Reparaturgenen
Neben der Induktion der DNA spielt auch die Repression von DNA Reparaturgenen eine wichtige Rolle in der zellulären Antwort gegenüber gentoxischem Stress. Die Repression kann durch eine Gentoxin-induzierte Veränderung im Zellzyklusverhalten erklärt werden, welche zur Aktivierung und Deaktivierung unterschiedlicher Transkriptionsfaktoren führt. So konnten wir zeigen, dass Temozolomid (TMZ) effizient Seneszenz induziert. Im Rahmen der TMZ-induzierten Seneszenz werden Zellen in der G2/M-Phase arretiert. Inhibitor-Experimente zeigten, dass die TMZ-induzierte Seneszenz über Aktivierung der ATR/CHK1-Achse der DNA-Schadensantwort, sowie Abbau von CDC25c vermittelt wird. Die TMZ-induzierte Seneszenz erforderte funktionelles p53 und war abhängig von anhaltender p21-Induktion. Die Seneszenz geht mit einer transkriptionellen Repression der DNA-Raparaturgene MSH2, MSH6, EXO1 und RAD51 einher, welche aufgrund der verminderten Aktivität des Transkriptionsfaktors E2F1vermittelt wird. In unseren aktuellen Arbeiten sollen die molekularen Mechanismen der TMZ-induzierten Seneszenz aufgeklärt werden. Hierbei soll vor allem die Rolle von p21 untersucht werden, wobei ChiP-Seq Experimente und die Massenspektrometrie-basierte Identifizierung von p21-Interaktionspartnern geplant sind.
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-κB. Cancer Res. 79(1):99-113
Gefördert durch DFG-CH655-6-1
Eine transkriptionelle Repression der DNA-Raparaturgene MSH2, MSH6, EXO1 und RAD51 konnte auch nach der Exposition von Zellen mit dem Umweltkarzinogen Benzo(a)pyren (B[a]P) und seinem aktiven Metaboliten Benzo(a)pyren-9,10-Diol-7,8-epoxid (BPDE) beobachtet werden. Auch in diesem Fall beruht die Repression auf einer verminderten Aktivität von E2F1. Parallel kommt es auch zu einer direkten Repression durch den DREAM Komplex. In unseren aktuellen Arbeiten sollen die molekularen Mechanismen der B[a]P-induzierten Seneszenz aufgeklärt werden. Hierbei wird die Rolle repressiver Chromatinmarkierung (H3K9me3, H3K9me2, H3K27me3), der Polycomb Komplexe und von p21 untersucht.
Gefördert durch DFG-CH655-5-1 und SFB1361
Post-translationale Regulation der Mismatch Reparatur
Neben der transkriptionellen Repression der Mismatch Reparatur konnten wir auch dessen posttranslationale Regulation nachweisen. So konnten wir zeigen, dass es nach Behandlung mit alkylierenden Agenzien zu einer Translokation der an der Proteine MSH2 und MSH6 aus dem Zytoplasma in den Zellkern kommt und konnten eine Phosphorylierung dieser Proteine nachweisen.
Ein Forschungsantrag bzgl. Weiterführung dieser Thematik speziell nach Behandlung mit Temozolomid und Topoisomerase-Inhibitoren in Glioblastomzellen, deren Organoiden und Rezidiven wurde beantragt…
Christmann M., Tomicic M., Kaina B. (2002) Phosphorylation of mismatch repair proteins MSH2 and MSH6 affecting MutSalpha mismatch-binding activity. Nucleic Acids Research, 30, 1959-1966
Christmann M., Kaina B. (2000) Nuclear translocation of mismatch repair proteins MSH2 and MSH6 as a response of cells to alkylating agents. JBC, 275, 36256-36262
