CtIP and MRN promote non-homologous end-joining of etoposide-induced DNA double-strand breaks in G1

Topoisomerases class II (topoII) cleave and re-ligate the DNA double helix to allow the passage of an intact DNA strand through it. Chemotherapeutic drugs such as etoposide target topoII, interfere with the normal enzymatic cleavage/re-ligation reaction and create a DNA double-strand break (DSB) with the enzyme covalently bound to the 5′-end of the DNA. Such DSBs are repaired by one of the two major DSB repair pathways, non-homologous end-joining (NHEJ) or homologous recombination. However, prior to repair, the covalently bound topoII needs to be removed from the DNA end, a process requiring the MRX complex and ctp1 in fission yeast. CtIP, the mammalian ortholog of ctp1, is known to promote homologous recombination by resecting DSB ends. Here, we show that human cells arrested in G0/G1 repair etoposide-induced DSBs by NHEJ and, surprisingly, require the MRN complex (the ortholog of MRX) and CtIP. CtIP's function for repairing etoposide-induced DSBs by NHEJ in G0/G1 requires the Thr-847 but not the Ser-327 phosphorylation site, both of which are needed for resection during HR. This finding establishes that CtIP promotes NHEJ of etoposide-induced DSBs during G0/G1 phase with an end-processing function that is distinct to its resection function

CtIP and MRN promote non-homologous end-joining of etoposide-induced DNA double-strand breaks in G1

Topoisomerases class II (topoII) cleave and re-ligate the DNA double helix to allow the passage of an intact DNA strand through it. Chemotherapeutic drugs such as etoposide target topoII, interfere with the normal enzymatic cleavage/re-ligation reaction and create a DNA double-strand break (DSB) with the enzyme covalently bound to the 5′-end of the DNA. Such DSBs are repaired by one of the two major DSB repair pathways, non-homologous end-joining (NHEJ) or homologous recombination. However, prior to repair, the covalently bound topoII needs to be removed from the DNA end, a process requiring the MRX complex and ctp1 in fission yeast. CtIP, the mammalian ortholog of ctp1, is known to promote homologous recombination by resecting DSB ends. Here, we show that human cells arrested in G0/G1 repair etoposide-induced DSBs by NHEJ and, surprisingly, require the MRN complex (the ortholog of MRX) and CtIP. CtIP's function for repairing etoposide-induced DSBs by NHEJ in G0/G1 requires the Thr-847 but not the Ser-327 phosphorylation site, both of which are needed for resection during HR. This finding establishes that CtIP promotes NHEJ of etoposide-induced DSBs during G0/G1 phase with an end-processing function that is distinct to its resection function

Bedeutung des Glukosestoffwechsels für die Strahlenempfindlichkeit solider Tumoren

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Stoffwechseluntersuchungen an Experimentaltumoren von humanen Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereiches mit bekannter Strahlenempfindlichkeit durchzuführen. Die Resultate sollten mit dem Genexpressionsniveau glykolyseassoziierter Transportproteine und Enzyme, der Proteinexpression von LDH-A, der Hypoxie und der Strahlenresistenz der Tumoren korreliert werden. Während die Tumorproben und die Daten zum biologischen Strahlenverhalten und zur Charakterisierung der Hypoxie aus Dresden stammen, wurden alle anderen Untersuchungen in Mainz durchgeführt. Ein wichtiges Merkmal der kooperativen Studie bestand darin, dass erstmals die Strahlenresistenz von Experimentaltumoren systematisch in einem klinischen Fraktionierungsschema untersucht wurde. Die lokale Bestimmung der Gewebskonzentrationen der Metabolite ATP, Glukose und Laktat erfolgte mit dem Verfahren der bildgebenden Biolumineszenz. Die Auswertung der Ergebnisse mit Unterstützung von Bildverarbeitungs-Software wurde weiterentwickelt und in wesentlichen Punkten verbessert. Zur Ermittlung des mRNA-Expressionsniveaus der Glykolyseenzyme PFK-L und LDH-A sowie des Glukosetransporters GLUT1 diente die real time RT-PCR-Methode. Ein Kernpunkt des methodischen Teils der vorliegenden Arbeit bildeten die Validierung und Etablierung dieses Verfahrens. Durch die Anwendung dieser Technik war es möglich, eine relative Quantifizierung des Expressionslevels durchzuführen. Die Western Blot-Analyse lieferte Aussagen über den Proteingehalt von LDH-A. Dabei kam ein neues Auswerteverfahren durch Anwendung fluoreszenzmarkierter Antikörper zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigten erstmals einen direkten Zusammenhang zwischen dem Laktatgehalt von Tumoren und deren Strahlenresistenz. Es wurde im Vergleich zu früheren klinischen Untersuchungen eine Einstufung in Hoch- und Niedriglaktattumoren vorgenommen und eine signifikante Korrelation innerhalb der Hochlaktattumoren zwischen dem Laktatgehalt und der über Pimonidazol quantifizierten hypoxischen Fraktion festgestellt. Während die PCR Unterschiede in den drei untersuchten Genen auf transkriptioneller Ebene zwischen den sieben untersuchten Tumorlinien erkennen ließ, waren die Western Blot-Ergebnisse nahezu gleich. Da auch die Western Blot-Analysen keine Übereinstimmungen mit dem Laktatgehalt zeigten, kann auch der reine Proteingehalt keine Rolle als aktivitätsbestimmende Größe der Glykolyse spielen. Vielmehr scheinen Aktivierungs- und posttranslationale Prozesse oder auch eine Kombination mehrerer Faktoren eine Rolle zu spielen. Letztlich deuten die Befunde darauf hin, dass die glykolytische Aktivität der untersuchten Tumoren nicht über Transkription und Proteinexpression reguliert wird. Der Zusammenhang zwischen dem Laktatgehalt und der Strahlenresistenz der Tumoren kann von großer klinischer Bedeutung sein, da ein klinisch relevantes Fraktionierungsschema bei der Bestrahlung angewandt wurde. Unsere Ergebnisse bestätigen die Arbeitshypothese, dass ein hoher glykolytischer Flux mit einer hohen Umsatzrate an Metaboliten mit Radikalfängerfunktion, wie Pyruvat, einhergeht, die den Tumoren eine Radioresistenz verleihen. Der Laktatgehalt von Biopsien als Marker für die Strahlenresistenz könnte in Zukunft zu einer der Radiotherapie vorangehenden Patientenselektion herangezogen werden, um die Therapie- und insbesondere Dosisplanung in der Onkologie zu unterstützen