Waarom teveel DNA weefselherstel kunnen verwonden

Overactieve reparatiesysteem celdood bevordert na DNA schade door bepaalde toxinen, studie toont aan. DNA-reparatie-enzymen helpen cellen overleven schade aan hun genoom, die ontstaat als bijproduct van normale celactiviteit en kan ook worden veroorzaakt door giftige stoffen. Echter, in bepaalde situaties, DNA-herstel kan schadelijk zijn voor de cellen te worden, uitlokken van een ontstekingsreactie die ernstige weefselschade veroorzaakt.

MIT-professor Leona Samson heeft nu vastgesteld dat ontsteking een belangrijk onderdeel is van de manier waarop deze schade optreedt in fotoreceptorcellen in het netvlies van muizen. Wat betreft 10 jaren geleden, zij en haar collega's ontdekten dat overactieve initiatie van DNA-reparatiesystemen kan leiden tot schade aan het netvlies en blindheid bij muizen. Het belangrijkste enzym in dit proces, bekend als Aag-glycosylase, kan ook schade aanrichten in andere weefsels wanneer het hyperactief wordt.

“Het is een ander geval waarin ontstekingen er zijn om je te beschermen, in sommige omstandigheden kan het zelfs schadelijk zijn, wanneer het overactief is,' zegt Simson, een emeritus hoogleraar biologie en biologische engineering en de senior auteur van de studie.

Aag-glycosylase helpt DNA-schade te herstellen die wordt veroorzaakt door een klasse geneesmiddelen die bekend staat als alkylerende stoffen, die vaak worden gebruikt als medicijnen voor chemotherapie en ook worden aangetroffen in verontreinigende stoffen zoals tabaksrook en brandstofuitlaatgassen. Netvliesbeschadiging door deze geneesmiddelen is niet waargenomen bij menselijke patiënten, maar alkylerende middelen kunnen vergelijkbare schade veroorzaken in andere menselijke weefsels, zegt Simson. De nieuwe studie, waaruit blijkt hoe Aag-overactiviteit tot celdood leidt, suggereren mogelijke doelwitten voor medicijnen die dergelijke schade kunnen voorkomen.

Links, fotoreceptorcellen van het netvlies hebben ernstige schade opgelopen na behandeling met een alkyleringsmiddel. Deze schade wordt verergerd door het DNA-reparatie-enzym Aag. Rechts, fotoreceptorcellen zonder Aag lijken normaal na behandeling met het alkyleringsmiddel. Afbeelding afkomstig van de onderzoekers

Mariacarmela Allocca, een voormalig MIT postdoc, is de eerste auteur van de studie, die verschijnt in het februari. 12 probleem van Wetenschappelijke signalering. MIT technisch assistent Joshua Corrigan, voormalig postdoc Aprotim Mazumder, en voormalig technisch assistent Kimberly Fake zijn ook auteurs van het artikel.

Een vicieuze cirkel

In een 2009 studie, Samson en haar collega's ontdekten dat een relatief lage mate van blootstelling aan een alkylerend middel leidde tot zeer hoge schade aan het netvlies bij muizen. Alkyleringsmiddelen produceren specifieke soorten DNA-schade, en Aag-glycosylase initieert normaal gesproken het herstel van dergelijke schade. Echter, in bepaalde soorten cellen die hogere niveaus van Aag hebben, zoals fotoreceptoren van muizen, de overactiviteit van het enzym veroorzaakt een reeks gebeurtenissen die uiteindelijk tot celdood leiden.

In de nieuwe studie, de onderzoekers wilden precies weten hoe dat komt. Ze wisten dat Aag overactief was in de aangetaste cellen, maar ze wisten niet precies hoe het tot celdood leidde of wat voor soort celdood er plaatsvond. De onderzoekers vermoedden aanvankelijk dat het om apoptose ging, een soort geprogrammeerde celdood waarbij een stervende cel geleidelijk wordt afgebroken en geabsorbeerd door andere cellen.

Echter, ze vonden al snel bewijs dat een ander type celdood genaamd necrose verantwoordelijk is voor de meeste schade. Wanneer Aag probeert de DNA-schade te herstellen die door het alkyleringsmiddel is veroorzaakt, het verwijdert zoveel beschadigde DNA-basen dat het een enzym genaamd PARP hyperactiveert, wat necrose veroorzaakt. Tijdens dit type celdood, cellen breken uit elkaar en morsen hun inhoud eruit, die het immuunsysteem waarschuwt dat er iets mis is.

Een van de eiwitten die worden uitgescheiden door de stervende cellen, bekend als HMGB1, stimuleert de productie van chemicaliën die immuuncellen aantrekken, macrofagen genaamd, die specifiek de fotoreceptorlaag van het netvlies binnendringen. Deze macrofagen produceren zeer reactieve zuurstofsoorten - moleculen die meer schade aanrichten en de omgeving nog meer inflammatoir maken. Dit veroorzaakt op zijn beurt meer DNA-schade, die wordt erkend door Aag.

“Dat maakt de situatie erger, omdat de Aag-glycosylase inwerkt op de laesies die door de ontsteking worden veroorzaakt, zo krijg je een vicieuze cirkel, en de DNA-reparatie zorgt voor steeds meer degeneratie en necrose in de fotoreceptorlaag,' zegt Simson.

Niets van dit alles gebeurt bij muizen zonder Aag of PARP, en het komt niet voor in andere cellen van het oog of in de meeste andere lichaamsweefsels.

“Het verbaast me hoe gesegmenteerd dit is. De andere cellen in het netvlies worden helemaal niet aangetast, en ze moeten dezelfde hoeveelheid DNA-schade ervaren. Zo, een mogelijkheid is dat ze Aag misschien niet uiten, terwijl de fotoreceptorcellen dat doen,' zegt Simson.

“Deze moleculaire studies zijn opwindend, omdat ze hebben geholpen bij het definiëren van de onderliggende pathofysiologie die verband houdt met netvliesbeschadiging,” says Ben Van Houten, hoogleraar farmacologie en chemische biologie aan de Universiteit van Pittsburgh, die niet betrokken was bij het onderzoek. “DNA-reparatie is essentieel voor de getrouwe overerving van het genetisch materiaal van een cel. Echter, de werking van sommige DNA-reparatie-enzymen kan resulteren in de productie van toxische tussenproducten die de blootstelling aan genotoxische stoffen verergeren."

Wisselende effecten

De onderzoekers ontdekten ook dat netvliesontsteking en necrose ernstiger waren bij mannelijke muizen dan bij vrouwelijke muizen. Ze vermoeden dat oestrogeen, die de PARP-activiteit kunnen verstoren, kan helpen om het pad te onderdrukken dat leidt tot ontsteking en celdood.

Samsons laboratorium heeft eerder gevonden dat Aag-activiteit ook schade aan de hersenen kan verergeren tijdens een beroerte, in muizen. Uit hetzelfde onderzoek bleek dat Aag-activiteit ook ontstekingen en weefselschade in de lever en nieren verergert na zuurstofgebrek. Door Aag aangestuurde celdood is ook waargenomen in het cerebellum van de muis en sommige pancreas- en beenmergcellen.

De effecten van Aag-overactiviteit zijn weinig bestudeerd bij mensen, maar er zijn aanwijzingen dat gezonde individuen sterk variërende niveaus van het enzym hebben, wat suggereert dat het bij verschillende mensen verschillende effecten kan hebben.

“Vermoedelijk zijn er enkele celtypen in het menselijk lichaam die op dezelfde manier zouden reageren als de fotoreceptoren van muizen,' zegt Simson. "Ze zijn misschien niet dezelfde set cellen."

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health.

Bron: http://news.mit.edu