The role of polyubiquitin chains in repair and mutagenicity of benzo(a)pyrene-induced DNA damage

Tolerantie van DNA schade kan leiden tot meer DNA mutaties.

     Gedurende het dagelijkse leven wordt de mens continu blootgesteld aan verschillende kankerverwekkende stoffen (carcinogenen). Hiertoe behoren ook de polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAKs), die ontstaan door onvolledige verbranding van organische materialen zoals hout, stookolie, voedsel, enz. Nadat PAKs zijn opgenomen door ons lichaam worden ze in verschillende organen (vb. longen en lever) omgezet tot metabolieten die aan het DNA kunnen binden. Deze interactie tussen PAKs en DNA, kan uiteindelijk leiden tot een verandering van de genetische informatie in ons DNA, waardoor het ontstaansproces van kanker geïnitieerd kan worden.

     Door de evolutie heen heeft de mens echter verschillende mechanismen ontwikkeld om zich te beschermen tegen een wijde variatie aan DNA schade. Men moet DNA herstel dus zien als een soort van toezichthouder op het DNA. Zo hebben DNA herstel mechanismen de capaciteit om een verscheidenheid aan carcinogenen, die met het DNA hebben gereageerd, op te sporen en te verwijderen. Het belangrijkste en tevens eerste ooit beschreven DNA herstel mechanisme dat betrokken is bij de verwijdering van DNA schade geïnduceerd door PAKs, is het zgn. ‘nucleotide excisie herstel’. De gedachtegang achter dit mechanisme is: ‘Als de ene streng van de DNA helix beschadigd raakt, kan de informatie in dat stuk worden teruggewonnen van de complementaire streng’ (DNA is immers een dubbele helix, bestaande uit twee om elkaar gewonden strengen). Als alles goed gaat, worden beschadigingen in het DNA verwijderd vooraleer het DNA vermenigvuldigd wordt tijdens de celdeling. Echter, in sommige gevallen kan dit proces ook wel eens fout gaan. Zo kan het gebeuren dat de schade in het DNA niet tijdig herkend wordt en de fout dus in het DNA blijft zitten bij aanvang van de DNA verdubbeling. Als gevolg hiervan zal het replicatiesysteem (een complex van verschillende eiwitten die een rol spelen bij DNA verdubbeling) geblokkeerd worden ter hoogte van de schade. Wat nu?

     Recentelijk is gebleken dat cellen ook voor deze problemen verschillende beschermende mechanismen hebben ontwikkeld, n.l. de ‘DNA schade tolerantie mechanismen’. Deze mechanismen zijn in staat om in aanwezigheid van DNA schade toch de DNA verdubbeling voort te zetten. Hierdoor wordt de schade dus eerder getolereerd in plaats van hersteld. Tolerantie van DNA schade kan op twee manieren optreden. Enerzijds is er een mechanisme dat gebruik maakt van de genetische informatie op de zusterstreng van het DNA. Dit mechanisme is foutloos, wat wil zeggen dat de fout in het DNA niet gekopieerd wordt tijdens de vermenigvuldiging van het DNA. Daar tegenover staat een mechanisme waarbij geen gebruik gemaakt wordt van de informatie op de zusterstreng, maar direct een kopie gemaakt wordt van de beschadigde streng. Bijgevolg gaat dit mechanisme vaak gepaard met de introductie van fouten (mutaties). Wanneer welk van deze twee mechanismen gebruikt wordt, wordt gereguleerd door het zgn. ‘ubiquitinatie systeem‘. In dit systeem speelt het eiwit ubiquitine een centrale rol. Ubiquitine is namelijk in staat om te binden aan andere ubiquitine moleculen waardoor er een poly-ubiquitine keten ontstaat. Wanneer deze poly-ubiquitine keten nu aan een specifiek eiwit van het replicatiesysteem gekoppeld wordt (we speken hierbij van multi-ubiquitinatie), zal deze keten functioneren als een soort signaal waardoor tolerantie van DNA schade zal optreden via het foutloze mechanisme. Als er echter maar één ubiquitine aan dat eiwit gekoppeld wordt (mono-ubiquitinatie), zal DNA schade getolereerd worden via het mechanisme dat vaak mutaties introduceert.

     In het verleden werden deze mechanismen vooral bestudeerd na blootstelling aan giftige verbindingen die gebruikt worden tijdens de behandeling van kanker (chemotherapie). Het was echter nog onbekend of deze mechanismen ook een rol spelen in het behouden van de genetische stabiliteit na blootstelling aan omgevingscarcinogenen zoals PAKs. Onze hypothese was dat wanneer er geen multi-ubiquitinatie kan optreden, DNA schade veroorzaakt door PAKs via het fout-inducerende mechanisme getolereerd zal moeten worden. Dit kan leiden tot een toename van mutaties. Om dit te bestuderen hebben we gebruik gemaakt van humane longepitheel tumorcellen, die enerzijds ubiquitine produceren in zijn normale vorm en anderzijds in een gemuteerde, veranderde vorm. Hierbij verwachtten we dat in de cellen die de normale vorm van ubiquitine produceren, er voornamelijk multi-ubiquitinatie zal optreden wat vervolgens leidt tot foutloze tolerantie van DNA schade. Echter, de gemuteerde ubiquitinen zijn niet in staat om poly-ubiquitine ketens te vormen. Hierdoor zal er enkel mono-ubiquitinatie kunnen optreden wat zal leiden tot meer mutaties.

Uit ons onderzoek bleek dat in de cellen waarin enkel mono-ubiquitnatie kon optreden, inderdaad meer mutaties gevormd werden na blootstelling aan PAKs, in vergelijking met de cellen die wel in staat waren tot multi-ubiquitinatie. Hieruit kan dus worden afgeleid dat wanneer er geen poly-ubiquitine ketens gevormd kunnen worden, er geen tolerantie van DNA schade kan optreden via het foutloze mechanisme. Je zou wel kunnen zeggen dat de cel daardoor gedwongen wordt om de aanwezige DNA schade te tolereren via het fout-inducerende mechanisme.     

     Waarom is dit nu belangrijk? Sinds de jaren ’80 is bekend dat DNA schade kan leiden tot het ontstaan van kwaadaardige aandoeningen waaronder kanker. Bovendien leidt een verhoogde frequentie aan mutaties indirect tot een verhoogd risico op kanker. Vandaar dat verder onderzoek naar de moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij DNA herstel en tolerantie van DNA schade van toenemend belang is voor risicobepalingen in relatie tot kankertherapieën en blootstelling aan schadelijke stoffen uit het milieu.