Beeinflussung der genomischen Stabilität durch Arsenit und seine methylierten Metabolite: DNA-Reparatur und p53
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Ergebnisse zur in vitro Toxizität der Arsenspezies weisen nachdrücklich darauf hin, dass der Metabolismus von anorganischem Arsen beim Menschen zu dessen Toxizität beiträgt. So zeigen dreiwertige methylierte sowie S-haltige Arsenmetabolite eine höhere zelluläre Bioverfügbarkeit und zelluläre Toxizität als anorganisches Arsenit. Darüber hinaus greifen die einzelnen Arsenspezies in verschiedene zelluläre Prozesse ein. So inhibieren dreiwertige Arsenspezies die globale Nukleotidexzisionsreparatur und das zelluläre Strangbruchsignalling in Form der Poly(ADP-ribosyl)ierung. DMAV und MMAV stören besonders sensitiv die Schadenserkennung und Ligation bei der Basenexzisionsreparatur oxidativer DNA-Schäden. Arsenit reduziert den XRCC1 und den LigIIIα Proteingehalt und stört damit die Ligation bei der globalen NER und der BER. Zusammenfassend kann somit davon ausgegangen werden, dass es im Falle einer Mischexposition, wie sie unter realen Bedingungen nach oraler Aufnahme von anorganischem Arsen und dem sich anschließenden Stoffwechsel auftritt, zu einer massiven Beeinträchtigung der Reparaturmechanismen kommt. Die Hemmung der globalen NER und die beobachtete Beeinträchtigung des Zellzyklus könnten hierbei anteilig auf eine Beeinträchtigung der Funktion von p53 als Transkriptionsfaktor für XPE, XPC und p21 zurückgeführt werden. Erste Studien sprechen in diesem Zusammenhang dafür, dass es in Anwesenheit von Arsenit in der Zelle zu einer vermehrten Umfaltung des funktionstüchtigen „wildtyp“ p53 Protein in seine mutante Konformation kommt, in der p53 nicht mehr in der Lage ist als Transkriptionsfaktor zu wirken. Diese Ergebnisse müssen in weiteren Studien bestätigt werden. Die ausführlichen vergleichenden subzellulären und zellulären Arbeiten weisen zusammen mit der durchgeführten Charakterisierung der zellulären Toxizität der neuen S-haltigen Arsenmetabolite darauf hin, dass die bisher beobachtete Diskrepanz der toxischen Wirkung der Arsenspezies in isolierten und zellulären Systemen auf einen weiteren Metabolismus / eine Transformation der Arsenspezies im zellulären System zurückzuführen ist. So könnte die durch DMAV beobachtete Inhibierung der zellulären OGG Inzisionsaktivität, sowie die durch DMAIII beobachtete Inhibierung der H2O2-induzierten Poly(ADP-ribosyl)ierung (35) auf die zelluläre Bildung von Thio-DMAV und DMAG zurückzuführen sein. Diese Bildung findet im subzellulären System nicht statt und würde die nichtvorhandene bzw. erst in 100fach höheren Konzentrationen beobachtete Inhibierung des jeweiligen Mechanismus im Falle der isolierten Proteine erklären. Die erste toxikologische Charakterisierung dieser neuen S-haltigen Arsenmetabolite deutet wie im Falle der altbekannten Arsenspezies eher auf einen indirekt genotoxischen Wirkmechanismus hin und lässt vermuten, dass auch diese Arsenspezies über eine Beeinflussung der zellulären Antwort auf DNA-Schäden (einschließlich der DNA-Reparaturmechanismen) toxisch wirken. Abschließend bleibt anzumerken, dass in zukünftigen Projekten zur Arsentoxikologie, parallel zu den zellulären Toxizitätsuntersuchungen Arsenspeziationsstudien durchgeführt werden sollten. So wird die Aufklärung des zellulären Metabolismus der Arsenspezies die Suche nach dem toxischen Wirkmechanismus und damit letztendlich auch die Suche nach dem kanzerogenen Wirkmechanismus von anorganischem Arsen beim Menschen sicherlich maßgeblich erleichtern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007) Arsen, Handbuch der Lebensmitteltoxikologie, 1te Auflage, H. Dunkelberg, T. Gebel, A. Hartwig (eds), Wiley-VCH STM Books, Germany, ISBN: 978-3-527-31166-8, 729-756
T. Schwerdtle and A. Hartwig
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(2008) Monomethylarsonous acid destroys a tetrathiolate zinc finger much more efficiently than inorganic arsenite. Mechanistic considerations and consequences for DNA repair inhibition, Chemical Research in Toxicology, 21(3), 600-606
K. Piatek, T. Schwerdtle, A. Hartwig, W. Bal
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(2009) Arsenic-Induced Carcinogenicity: New Insights in Molecular Mechanisms, Metal Complex DNA-Interactions, N. Hadjiliadis, E. Sletten (eds), 2009 John Wiley & Sons, Ltd, 491-510
A. Hartwig and T. Schwerdtle
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(2009) Establishment of a non-radioactive cleavage assay to assess the DNA repair capacity towards oxidative DNA damage in subcellular and cellular systems and the impact of copper, Mutation Research, 669(1-2), 122-30
I. Hamann, T. Schwerdtle, A. Hartwig
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(2009) Impact of arsenic on nucleotide excision repair: XPC function, protein level and gene expression, Molecular Nutrition and Food Research, 53(5), 572-82
M. Nollen, F. Ebert, J. Moser, L.H.F. Mullenders, A. Hartwig and T. Schwerdtle
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(2010) Biophysical analysis of the interaction of toxic metal ions and oxidants with the zinc finger domain of XPA, Methods Mol Biol., 649, 399-410
A. Hartwig, T. Schwerdtle, W. Bal
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(2010) Genotoxicity of soluble and particulate cadmium compounds: impact on oxidative DNA damage and nucleotide excision repair, Chemical Research in Toxicology, 23(2), 432-42
T. Schwerdtle, F. Ebert, C. Thuy, C. Richter, L.H.F. Mullenders, A. Hartwig
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Arsenicals affect base excision repair by several mechanisms, Mutation Research (2011), 715(1-2), 32-41
F. Ebert, A. Weiss, M. Bültemeyer, I. Hamann, A. Hartwig, T. Schwerdtle
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Toxicological characterization of the inorganic and organic arsenic metabolite thio-DMAV in cultured human lung cells, Journal of Toxicology (2011)
M. Bartel, F. Ebert, L. Leffers, U. Karst, T. Schwerdtle
