DNA excision repair of uracil and 5-fluorouracil in human cancercell lines

Abstract

DNA er et tilsynelatende stabilt molekyl, som overføres så å si uten endringer fra unnfangelse til alderdom og fra generasjon til generasjon. Men arvestoffet vårt er ikke så uforanderlig som det kan se ut som. DNA kan endres kjemisk ved å reagere med en rekke stoffer som er påført utenfra eller som normalt finnes inne i enhver celle. DNA består av repeterende enheter av nukleotider, som igjen består av fosfat-, sukker- og basegrupper. Fosfat og sukkergruppene danner en ryggrad, mens basene parer med andre baser på en motstående DNA-tråd. Fokus for denne avhandlingen er baseskadene uracil og 5-fluorouracil. Uracil dannes ved at den normale basen cytosin reagerer med vann. Dette resulterer i et uracil:guanin base-par. Eventuelt kan både uracil og 5-fluorouracil inkorporeres i stedet for den normale basen thymin under DNA-replikasjon. Dette resulterer i uracil paret med adenin, mens 5-fluorouracil kan pare med adenin eller guanin.

For å unngå at skader på DNA resulterer i mutasjoner finnes det flere mekanismer i cellen som erstatter og reparerer skadd DNA. En av de viktigste reparasjonsmekanismene er base eksisjonsreparasjon (BER). BER initieres ved at en DNA-glykosylase kutter en skadd eller unormal base fra DNA. Hos mennesker er det identifisert fire forskjellige glykosylaser som alle kan initiere reparasjon av uracil og 5-fluorouracil: UNG, SMUG1, TDG og MBD4. En APendonuklease kutter så sukker-fosfat ryggraden ved å kutte ved siden av den nå base-løse sukkergruppen, og et nytt nukleotid settes inn av en DNA polymerase. Restene av sukkergruppen kan så fjernes direkte av DNA-polymerasen, før ryggraden på DNA-tråden bindes sammen av en DNA ligase. I sum blir dermed en skadd base erstattet med en normal (ennukleotid BER). I enkelte tilfeller klarer imidlertid ikke polymerasen å fjerne det som er igjen av sukkergruppen, dette skjer gjerne når sukkergruppen har blitt redusert eller oksidert. Da vil polymerasen sette inn flere nukleotider, slik at den skadde sukkergruppen fortrenges. Dette skaper en spesiell struktur som gjenkjennes av en flap endonuklease, som kutter ut den fortrengte biten, før en DNA ligase knytter DNA-tråden sammen igjen. Dermed fører reparasjon av en skadd base til at flere nukleotider erstattes (fler-nukleotid BER).

Inntil nylig har ikke fler-nukleotid BER vært observert i cellenes mitokondrier, som har sitt eget DNA å ta vare på. Hvordan ville i så fall mitokondriene håndtere skader som i cellekjernen repareres av fler-nukleotid BER? Dette har vi undersøkt i det første arbeidet, hvor vi fant at også mitokondriene kunne utføre fler-nukleotid BER.

Uttrykket av glykosylasen UNG varierer mellom forskjellige mennesker, organer og cellelinjer. I det andre arbeidet viser vi at hastigheten til BER sporet som helhet kontrolleres på det første trinnet, det vil si av mengde og aktivitet av DNA-glykosylasen som initierer reparasjonen. UNG initerte all observerbar reparasjon av uracil paret med adenin, mens reapasjon av uracil paret med guanin ble initiert hovedsakelig av UNG, med et relativt stort bidrag fra TDG i en av cellelinjene.

I det tredje arbeidet har vi studert hvordan 5-fluorouracil repareres i DNA og hvilken betydning DNA-reparasjon har å si for virkningsmekanismen for 5-fluoruracil. Vi fant at BER, initiert av UNG2, står for det aller meste av reparasjonen når 5-fluorouracil er paret med adenin. Når 5-fluorouracil er paret med guanin utfører BER, initert av UNG2, SMUG1 eller TDG det meste av reparasjonen, mens mismatch-reparasjon ser ut til å være av mindre betydning. Nedregulering av de nevnte glykosylasene og hemming av BER-sporet påvirket imidlertid ikke kreftcellelinjers følsomhet for 5-fluorouracil. Dermed later det til at i dette tilfellet spiller ikke inkorporering i DNA og påfølgende DNA-reparasjon noen stor rolle for celledød. I stedet ser det ut som om 5-fluorouracil heller dreper celler via inkorporering i RNA, samt ved at dannelsen av thymidin-nukleotider hemmes.