German Title: Auswirkungen der Nukleotid Exzisions Reparatur auf Krebsrisiko und Therapie

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Abstract

Nukleotid Exzisions Reparatur (NER) spielt eine wichtige Rolle bei der Reparatur vieler verschiedener Arten von DNA-Schäden, dazu gehören auch DNA-Addukte, die durch ultraviolette Strahlung und durch Exposition gegenüber schädlichen Substanzen wie Tabakrauch und Alkohol entstehen. Genetische Variationen und somatische Mutationen in NER-Genen können möglicherweise Auswirkungen auf Krebsrisiko und Therapie haben. Der Kenntnisstand hierüber ist jedoch gering. Der erste Teil der Arbeit untersucht die Rolle von genetischer Variation in NER-Genen bei der Modulation des Kehlkopfkrebs-Risikos. Die wichtigsten Risikofaktoren für Kehlkopfkrebs sind Rauchen und hoher Alkoholkonsum. Polymorphismen in NER-Genen könnten sich daher auf die Anfälligkeit für Kehlkopfkrebs auswirken. In einer populationsbezogenen Fall-Kontroll-Studie mit 248 Fällen und 647 Kontrollen wurden die Assoziationen von Kehlkopfkrebs mit 11 Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs) in 7 NER-Genen (XPC, ERCC1, ERCC2, ERCC4, ERCC5, ERCC6 und RAD23B) unter Berücksichtigung von Rauchen und Alkoholkonsum analysiert. Für die Genotypisierung wurden Sequenz-spezifische Hybridisierungssonden verwendet. Die für Alter und Geschlecht, sowie Rauchen, Alkoholkonsum und Bildung adjustierten Daten wurden mittels logistischer Regressionsanalyse ausgewertet. Träger der Pro-Allele in ERCC6 Arg1230Pro zeigten ein vermindertes Risiko für Kehlkopfkrebs (OR=0,53, 95% KI 0,34 - 0,85), welches bei starken Rauchern und Pro-Allel-Trägern mit hohem Alkoholkonsum am stärksten reduziert war. ERCC5 Asp1104His war mit dem Risiko bei starken Rauchern assoziiert (OR=1,70, 95% KI 1,1 - 2,5). Val-Allel-Träger von RAD23B Ala249Val hatten ein erhöhtes Krebsrisiko, wenn sie starke Raucher waren (OR=1,6, 95% KI 1,1 - 2,5) oder viel Alkohol konsumierten (OR=2,0, 95% KI 1,1 - 3,4). Die kombinierte Wirkung von Rauchen und Alkoholkonsum beeinflusste das Risiko bei starker Exposition und zwar für ERCC6 1230Pro (OR = 0,47, 95% KI 0,22 - 0,98) und RAD23B 249Val (OR=2,6, 95% KI 1,3 - 4,9). Bei der Untersuchung von Gen-Gen-Interaktionen erhöhte die Anwesenheit von 3 Risikoallelen im XPC-RAD23B-komplex das Risiko um das 2,1-fache. SNPs in den anderen Genen zeigten keine signifikante Assoziation mit dem Risiko für Kehlkopfkrebs. Wir schließen daraus, dass häufige genetische Variationen in NER-Genen das Kehlkopfkrebs-Risiko erheblich beeinflussen können. Der zweite Teil der Arbeit hat die Frage zum Thema, wie sich NER-Defizite auf den Erfolg einer Krebstherapie auswirken. NER Gene sind in vielen Krebszellen mutiert. Der Einsatz von Substanzen, die diese Zellen gezielt angreifen, könnte die Therapiewirkung bei gleichzeitiger Schonung des Reparatur-kompetenten Normalgewebes verstärken. Zwei NER-defiziente Zelllinien, XP3BE (XPC-defiziente Zellen) und GM10902 (ERCC6-defiziente Zellen) sowie eine normale Zelllinie GM01310 wurden mit 72 Substanzen aus der traditionellen chinesischen Medizin (TCM) behandelt. Ein Screening ergab, dass 13 dieser Substanzen in NER-defizienten Zellen deutlich zytotoxischer wirken als in normalen Zellen. Abhängig von ihrer Wirkung sowie der verfügbaren Menge wurden 6 dieser Substanzen zur weiteren Analyse ausgewählt, um ihre IC50 Werte, Auswirkungen auf den Zellzyklus und ihre Fähigkeit zur Induktion von DNA-Schäden zu bestimmen. Die wirksamste Substanz war Ascaridol, mit einer über 1000-fach höheren Resistenz von normalen gegenüber NER-defizienten Zellen (IC50 für GM10902 0,025 myg / ml, XP3BE 0,03 myg / ml und GM01310 > 30 myg / ml). Diese Substanz hatte starke und unterschiedliche Auswirkungen auf die Zellzyklus Verteilung der drei Zelllinien. Ascaridol verursachte etwa drei mal mehr DNA-Schäden in NER-defizienten Zellen im Vergleich zu normalen Zellen. Die Ergebnisse für Ascaridol wurden in einem zweiten Set von isogenen Zelllinien validiert. XPC-defiziente (XP4PA; IC50 0,013 myg / ml) und mit ERCC6-siRNA-behandelte Zellen (IC50 0,095 myg / ml) waren empfindlicher gegenüber diesem Wirkstoff als XPC-kompetente (XP4PA-SE2; IC50 2,19 myg / ml) und Luciferase-siRNA-behandelte Kontroll-Zellen (IC50 3,0 myg / ml). Nach Ascaridolexposition zeigten XPC-defiziente und ERCC6-siRNA-behandelte Zellen 1,5 bis drei mal mehr DNA-Schäden als Reparatur-kompetente Zellen. Außerdem wurde eine dosisabhängige Erhöhung der intrazellulären Peroxidmenge durch Ascaridol in den Zellen beobachtet. Mit Ascaridol (1 myg / ml) behandelte XPC-defiziente und ERCC6-siRNA-behandelte Zellen zeigten auch einen starken Anstieg in der Menge der oxidierten Basen, der weder in XPC-kompetenten noch in Luciferase-siRNA-behandelten Kontroll-Zellen sichtbar war. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass Ascaridol DNA-Schäden über reaktive oxidative Zwischenprodukte verursacht, und dass Ascaridol besonders NER-defiziente Zellen angreift. Dies könnte eine neue therapeutische Option für das selektive Abtöten von Tumorzellen darstellen.

Translation of abstract (English)

Nucleotide excision repair (NER) plays a key role in repairing a wide variety of DNA damage including bulky DNA adducts caused by ultraviolet radiation and exposure to harmful substances like tobacco smoke and alcohol. Genetic variations and somatic mutations in NER genes might affect cancer risk and therapy. However, both these aspects are not well understood. The first part of the thesis deals with the role of NER in modulation of laryngeal cancer risk. The major risk factors for laryngeal cancer are smoking and high alcohol consumption. Polymorphisms in NER genes might therefore affect laryngeal cancer susceptibility. In a population-based case-control study including 248 cases and 647 controls, the association of laryngeal cancer with 11 single nucleotide polymorphisms (SNPs) in 7 NER genes (XPC, ERCC1, ERCC2, ERCC4, ERCC5, ERCC6 and RAD23B) was analyzed with respect to smoking and alcohol exposure. For genotyping, sequence specific hybridization probes were used. Data were evaluated by conditional logistic regression analysis, stratified for age and gender, and adjusted for smoking, alcohol consumption and education. Pro-carriers of ERCC6 Arg1230Pro showed a decreased risk for laryngeal cancer (OR=0.53, 95% CI 0.34-0.85), being most protective in heavy smokers and high alcohol consumers. ERCC5 Asp1104His was associated with risk in heavy smokers (OR=1.70, 95% CI 1.1-2.5). Val-carriers of RAD23B Ala249Val had an increased cancer risk in heavy smokers (OR=1.6, 95% CI 1.1-2.5) and high alcohol consumers (OR=2.0, 95% CI 1.1-3.4). The combined effect of smoking and alcohol intake affected risk, at high exposure level, for ERCC6 1230Pro carriers (OR=0.47, 95% CI 0.22-0.98) and RAD23B 249Val carriers (OR=2.6, 95% CI 1.3-4.9). When tested for gene-gene interaction, presence of 3 risk alleles in the XPC RAD23B complex increased the risk 2.1 fold. SNPs in the other genes did not show a significant association with laryngeal cancer risk. We conclude that common genetic variations in NER genes can significantly modify laryngeal cancer risk. The second part of the thesis deals with the question how NER affects cancer therapy. NER genes become deficient in many cancer types. By employing methods to target these deficiencies, tumor cells can be killed more effectively. Two NER deficient cell lines i.e., XP3BE (XPC deficient cells) and GM10902 (ERCC6 deficient cells) and a normal cell line GM01310 were exposed to 72 traditional Chinese medicine (TCM) drugs. Cytotoxicity screening revealed that 13 of the drugs killed NER deficient cells more efficiently compared to normal cells. Depending on the effect and available amount, 6 drugs were selected for further analysis and their IC50 values, effects on cell cycle distribution and DNA damage induction were measured. Ascaridol was found to be the most effective compound with a difference of more than 1000 fold in resistance between normal and NER deficient cells (IC50 for GM10902 0.025 myg/ml, XP3BE 0.03 myg/ml and GM01310 > 30 myg/ml). The drug had a strong and differential effect on cell cycle distribution of the three cell lines. Ascaridol produced around three times more DNA damage in NER deficient cells compared to normal cells. Results obtained for ascaridol were validated in a second set of cell lines having isogenic background. XPC deficient (XP4PA; IC50 0.013 myg/ml) and ERCC6 silenced (IC50 0.095 myg/ml) cells were more sensitive to the drug than XPC proficient (XP4PA-SE2; IC50 2.19 myg/ml) and Luciferase siRNA treated (IC50 3.0 myg/ml) cells. Following ascaridol exposure, XPC deficient and ERCC6 silenced cells gathered around 1.5 to 3 times more DNA damage than repair competent cells. Ascaridol was also characterized for its ability to generate oxidative DNA damage. A dose-dependent increase in intracellular peroxide levels was observed in ascaridol treated cells. Ascaridol (1 myg/ml) treated XPC deficient (Fpg sensitive lesions 13.78 ± 1.72) and ERCC6 silenced (Fpg sensitive lesions 19.33 ± 1.2) cells also had a strong increase in the amount of oxidized bases (8-oxodG sites). Both XPC proficient and Luciferase siRNA cells did not show such an increase. Thus we showed, for the first time that ascaridol is mediating DNA damage by reactive oxidative intermediates. We identified that ascaridol is specifically affecting NER deficient cells and this might provide a new therapeutic option for differentially killing tumor and normal cells.