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Forschungsgebiet:
Mutationsentstehung in zellzyklusarretierten Hefezellen als ein Modell für die genetischen Vorgänge bei der Krebsentstehung
Die Bedeutung der replikationsunabhängigen Mutationsentstehung
Krebs ist eine genetische Erkrankung der Körperzellen. Eine fortschreitende Anhäufung von Mutationen erlaubt den veränderten Zellen einen Ausbruch aus der Regulation und damit eine unlimitierte Vermehrung und Ausbreitung.
Am Weg vom ersten Entkommen aus der normalerweise strikten Regulation bis zur vollen Malignität müssen Tumorzellen mehrere Eigenschaften erwerben, wie z.B. Unempfindlichkeit gegenüber Apoptosesignalen, Anregung von Blutgefäßbildung, Fähigkeit zur Gewebsinvasion und Metastasierung, usw. All diese Schritte gehen üblicherweise mit Mutationen in entsprechenden Tumorsuppressorgenen und Proto-Onkogenen einher. Auffälligerweise ist die entsprechend hohe Anzahl an Mutationen, die Krebszellen daher auszeichnet, jedoch nicht durch experimentell (in proliferierenden Zellen) ermittelte Raten der Mutationsentstehung erklärbar. Mutationsraten werden als Mutationshäufigkeit pro Zellteilung angegeben. Eine plausible Erklärung für die Diskrepanz zwischen den (relativ niedrigen) experimentell nachvollziehbaren Mutationsraten und der (hohen) Mutationshäufigkeit in Tumoren wäre, daß tatsächlich ein beträchtlicher Anteil der Mutationen unabhängig von der Zellteilung, also in momentan ruhenden Zellen entsteht!
Eine solche hypothetische Mutationsentstehung in zellzyklusarretierten Körperzellen während der Krebsentstehung erinnert an ein Phänomen, das in pro- und eukaryontischen Einzellern erstbeschrieben wurde. Unter der sogenannten "Adaptiven Mutagenese" versteht man die spontane Entstehung von Mutationen, die eine Wiederaufnahme von Wachstum und Zellteilung erlauben, in Reaktion auf den starken Selektionsdruck einer Wachstumsblockade (z.B. durch Nährstofflimitierung) - somit eine ziemlich klare Analogie zur Krebsentstehung.
Während Adaptive Mutagenese bei Einzellern ein durchwegs vorteilhafter Anpassungsprozess ist, ist innerhalb von Geweben mehrzelliger Organismen eine egoistische Zellvermehrung natürlich unerwünscht und kann fatale Folgen für den Organismus insgesamt haben.
Derartig grundlegende und evolutionär alte Vorgänge wie die Mutationsentstehung können auch an eher einfachen Organismen wie Einzellern untersucht werden. Unsere Arbeitsgruppe nutzt primär die Vorteile des Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae (der Sproßhefe = Bäckerhefe) um die Entstehung solcher adaptive, proliferationserlaubenden Mutationen in Populationen zellzyklusarretierter Zellen zu studieren. Das Ziel unserer Forschung ist es, die Mechanismen dieser replikationsunabhängigen Art der Mutationsentstehung zu verstehen, um in der Folge Möglichkeiten zu finden, sie im Sinne einer Mutationsvermeidung beeinflussen zu können.
Mutationsauslösende Reparatur spontaner DNA-Schäden
Die Unversehrtheit der (in der DNA kodierten) genetischen Informationen jeder einzelnen Körperzelle wird permanent durch spontan auftretende Schäden gefährdet. Die DNA ist ständig sowohl spontanen Zerfallserscheinungen, als auch dem Angriff zelleigener reaktiver Substanzen (wie z.B. Sauerstoffradikalen als unerwünschten Nebenprodukten der Zellatmung) ausgesetzt. Um die Entstehung von Mutationen zu verhindern und die Integrität der genetischen Information zu erhalten, haben sich im Laufe der Evolution zahlreiche spezialisierte DNA Reparaturmechanismen entwickelt, die ständig (und normalerweise unbemerkt im Hintergrund) die spontanen DNA Schäden beseitigen. Die meisten dieser Reparaturmechanismen agieren weitgehend fehlerfrei.
Neuere Forschungsergebnisse rücken jedoch einige DNA Reparaturwege in den Mittelpunkt des Interesses, die im Gegensatz zur Masse der Reparaturwege zwar DNA Schäden beseitigen, dabei aber eventuell selbst Mutationen produzieren. Dabei handelt es sich in der Regel um Reparaturmechanismen, die besonders gefährliche (zytotoxische) DNA-Schäden zwar reparieren können, dies aber nur zum Preis von Mutationen. Eine zusätzliche Bedeutung bekommen diese mutationsauslösenden Reparaturmechanismen dadurch, dass sie einerseits völlig unabhängig von äußeren Einflüssen, andererseits unabhängig von Zellteilung agieren. Sie können daher zu einer Anreicherung von Mutationen auch in ruhenden Zellen (Geweben) führen - ein Phänomen das sowohl bei der Krebsentstehung als auch bei der zellulären Alterung beobachtet wird.
Unserer Arbeitsgruppe gelang es, im Modellorganismus Sprosshefe nachzuweisen, dass ein spezieller Weg zur Reparatur von DNA-Brüchen, der als "Verknüpfung nichthomologer Enden" bezeichnet wird, im Zuge der Reparatur von Chromosomenbrüchen eine beträchtliche Anzahl an Mutationen verursacht. Die weitere Forschung soll abklären, inwiefern Mutationen durch solche Reparaturprozesse an der Krebsentstehung beteiligt sind und wie sie bekämpft werden können.
Publikationen:
Eine vollständige Liste finden Sie in der PubMed Datenbank
Ausgewählte Publikationen:
Heidenreich, E., Eisler, H., Lengheimer, T., Dorninger, P., and Steinboeck, F. (2010). A mutation-promotive role of nucleotide excision repair in cell cycle-arrested cell populations following UV irradiation. DNA Repair 9, 96-100.
Steinboeck, F., Hubmann, M., Bogusch, A., Dorninger, P., Lengheimer, T., and Heidenreich, E. (2010). The relevance of oxidative stress and cytotoxic DNA lesions for spontaneous mutagenesis in non-replicating yeast cells. Mutat Res 688, 47-52.
Heidenreich, E. (2007). Adaptive Mutation in Saccharomyces cerevisiae. Crit Rev Biochem Mol Biol 42, 285-311.
Steinboeck, F., Bogusch, A., Kaufmann, A., and Heidenreich, E. (2007). The nuclear actin-related protein of Saccharomyces cerevisiae, Arp4, directly interacts with the histone acetyltransferase Esa1p. J Biochem 141, 661-668.
Heidenreich, E., Eisler, H., and Steinboeck, F. (2006). Epistatic participation of REV1 and REV3 in the formation of UV-induced frameshift mutations in cell cycle-arrested yeast cells. Mutat Res 593 , 187-195.
Steinboeck, F., Krupanska, L., Bogusch, A., Kaufmann, A., and Heidenreich, E. (2006). Novel regulatory properties of Saccharomyces cerevisiae Arp4. J Biochem. 139 , 741-751.
Heidenreich, E., and Eisler, H. (2004). Non-homologous end joining dependency of gamma-irradiation-induced adaptive frameshift mutation formation in cell cycle-arrested yeast cells. Mutat Res 556 , 201-208.
Eisler, H., Frohlich, K. U., and Heidenreich, E. (2004). Starvation for an essential amino acid induces apoptosis and oxidative stress in yeast. Exp Cell Res 300 , 345-353.
Heidenreich, E., Holzmann, V., and Eisler, H. (2004). Polymerase zeta dependency of increased adaptive mutation frequencies in nucleotide excision repair-deficient yeast strains. DNA Repair 3 , 395-402.
Heidenreich, E., Novotny, R., Kneidinger, B., Holzmann, V., and Wintersberger, U. (2003). Non-homologous end joining as an important mutagenic process in cell cycle-arrested cells. EMBO J 22 , 2274-2283.
Görzer, I., Schüller, C., Heidenreich, E., Krupanska, L., Kuchler, K., and Wintersberger, U. (2003). The nuclear actin-related protein Act3p/Arp4p of Saccharomyces cerevisiae is involved in transcription regulation of stress genes. Mol Microbiol 50 , 1155-1171.
Heidenreich, E., and Wintersberger, U. (2001). Adaptive reversions of a frameshift mutation in arrested Saccharomyces cerevisiae cells by simple deletions in mononucleotide repeats. Mutat Res 473 , 101-107.
